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Nikkei X-TECH_2021.2.15

인터넷의 한계를 ‘광기술’로 돌파
NTT의 최대 승부수 ‘IOWN(아이온) 구상’

지금 인터넷이 기로에 접어들고 있다. 인공지능(AI)의 침투로 데이터 계산량이 폭발적으로 늘어나 이 상태로는 더 이상 소비전력 증가를 막을 수 없기 때문이다. 이러한 과제를 해결할 수 있는 기술로서 최근 광기술이 주목을 받고 있다. NTT는 전자기술(Electronics)에 비해 에너지 효율이 높다는 특성을 가진 광기술(Photonics)을 무기로 인터넷의 한계를 돌파하기 위한 길을 개척해나가려 하고 있다.

음성에서 텍스트, 영상에 이르기까지 모든 정보를 운반하는 인프라로서 과거 30년 간 진화를 거듭하며 세계에 혁명을 일으켜온 인터넷. 이 인터넷이 지금 기로에 서있다. 인터넷에서 유통되는 데이터량이 폭발적으로 증가하면서 전력 소비량도 늘어난다는 문제에 직면해있기 때문이다.

미국 시스코(CISCO)의 조사에 따르면 전세계 프로토콜(IP) 트래픽은 연 평균 26% 확대되고 있으며 2022년에는 월 396엑사바이트(EB)에 달할 것이라고 예측하고 있다. 심층학습의 보급도 데이터량의 폭발적인 증가를 가속화하고 있다. AI가 이용하는 데이터량이 최근 5년 간 30만 배 증가했다는 조사 결과도 있다.

데이터량이 증가할수록 정보 처리를 위한 계산량도 늘어나 전력 소모가 커진다. 과학기술진흥기구 저탄소사회전략센터가 2019년에 발표한 보고서에 따르면, 전세계 IT 관련 소비전력량은 에너지효율화 대책 없이 현재의 기술이 지속될 경우, 2030년에는 2016년의 5,000배가 될 것이라고 한다. 현재 세계 소비전력은 약 24,000TWh/년으로, 이와 비교해도 약 200배이다.

지금까지는 과거 50년 간 전자산업을 견인해온 무어의 법칙에 의해 소비전력의 폭발적 증가를 억제할 수 있었다. 미세화 기술의 진전으로 CPU 성능이 1년 반 만에 2배가 되면서 데이터량이 늘어나도 성능 향상으로 전력 소비를 낮출 수 있게 되었기 때문이다.

하지만 최근 들어 AI 수요에 따른 데이터의 폭발적 증가는 무어의 법칙에 따른 성능 진화로는 커버할 수 없게 되었다. 또한 무어의 법칙 자체도 더 이상 집적도를 높이기 어렵다는 한계가 보이기 시작해, 동작 주파수와 소비전력의 측면에서도 진화의 장벽에 직면하고 있다. 또한 컴퓨터의 구조 자체에도 장벽이 보이고 있다. 예를 들어 CPU와 다른 전자회로를 연결하는 I/O부분이다. 인텔에 따르면 계산 수요 증가로 인해 I/O부분의 대역 폭은 3년 간 2배 페이스로 계속 늘어나고 있다고 한다. 소비전력의 효율화가 이를 따라잡지 못하면서 언젠가 한계에 직면하게 될 것이라고 인텔은 지적한다.

-- 포토닉스로 한계 돌파 --
인터넷 데이터의 폭발적 증가와 이에 따른 전력 소비량 증가. 이것은 전세계 인터넷과 정보처리 기반을 뒷받침하는 반도체 산업이 떠안게 된 과제라고 할 수 있다. NTT는 이와 같은 전세계 인터넷과 반도체산업의 과제를 해결하게 위해 지금까지와는 다른 차원의 거대한 승부수를 준비하고 있다. 이것이 2019년에 공표한 ‘IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)’ 구상이다.

“향후 AI의 이용이 더욱 추진된다면 방대한 양의 데이터가 난무하는 세계가 될 것이며 현재의 (전자를 이용한) 반도체가 보틀넥이 될 것이다. NTT연구소가 추진해온 반도체를 광화(光化)하는 기술을 통해 게임체인지할 수 있을 것이다”. IOWN 구상의 발안자인 사와다(澤田) NTT대표이사 겸 사장은 이렇게 강조한다.

IOWN 구상이란 저소비전력이라는 특징을 가진 광기술을 5G의 차세대로 규정한 ‘Beyond 5G/6G’시대의 컴퓨팅 기반에서 통신에 이르기까지 활용. 현재의 세계 정보통신 기반을 뿌리째 변혁해나간다는 장대한 구상이다. 목표로 하고 있는 전력 효율은 현재의 100배. 전송 용량도 현재의 125배, 종단 간 지연도 1/200이라는 매우 야심 찬 목표를 내걸고 있다.

IOWN 구상의 열쇠를 쥐고 있는 것이 ‘전자기술과 광기술을 융합시킨 광전융합기술’(가와시마(川島) NTT연구기획부문 IOWN추진실장)이다. 광전융합이란 광신호와 전기신호를 불가분하게 융합하는 기술을 말한다. 광기술은 현재, 장거리∙대용량의 네트워크 전송 분야에서 실용화되고 있다. 이와 같은 광기술을 서버 안의 CPU와 엑셀러레이터를 연결하는 배선, CPU와 회로를 연결하는 I/O부분, 미래에는 CPU 내부까지 활용할 예정이다. 전기신호에서 광신호로 바꿔 소비전력의 장벽을 돌파하는 것을 목표로 한다.

-- 광트랜지스터 개발이 IOWN의 계기로 --
전기신호를 이용하는 전자회로는 미세가공기술의 발전으로 가전에서 서버, 스마트폰에 이르기까지 큰 발전을 이뤄냈다. 하지만 전기 저항이 존재하는 금속 및 반도체 안에 전기신호를 통과시킨다는 특성 상 고속∙대용량으로 전송하면 할수록 에너지 손실은 커진다.

“전기신호의 경우 100G비트/초의 전송으로 수 십 cm밖에는 보낼 수 없다”(NTT첨단집적디바이스연구소 광전자융합연구부의 사카모토(坂本) 연구부장). 이에 반해 광섬유 등에 광신호를 통과시키는 광기술의 경우, “100G비트/초로 수 십 m 전송도 가능하다”(사카모토 연구부장)라고 말할 정도로 에너지 손실이 적다. 진공 상태에서 1초 간 30만 km라는 초고속성, 더 나아가 하나의 광섬유 안에 서로 다른 파장을 다중으로 보냄으로써 대용량화하기 쉽다는 특성도 있다.

광신호를 다루는 광기술의 역사는 길다. 1960년대에 연구개발이 시작되었고 1980년대에 먼저 통신분야에서 실용화가 시작되었다. 하지만 현재의 광기술을 내부 배선에 이용하는 것은 어렵다. 미세가공 기술이 발달한 전자회로에 비해 상대적으로 사이즈가 커지기 때문이다. 빛에서 전기, 전기에서 빛으로 변환할 때 전력소비가 커진다는 점도 단점이다. 광기술 자체는 에너지 손실이 적지만, 전자회로와의 융합을 고려하면 전기와 빛의 변환이 필수이다. 이러한 과제 때문에 현재의 광기술은 통신분야로의 응용에 머물러있으며 정보처리 분야에서의 활용은 추진되지 못하고 있다.

NTT는 여기에 돌파구를 마련했다. 지금까지 어렵게 여겨졌던 정보처리 분야에 광기술을 응용하는 길을 열 수 있는 광전융합의 기초기술 개발에 성공한 것이다. 2019년 4월, 영국의 과학잡지 ‘Nature Photonics’에 논문이 개제된 광전융합형 광트랜지스터가 그것이다.

나노포토닉스(Nano Photonics)라고도 불리는 미세가공 기술을 이용해 10μm x 15μm이라는 작은 크기의 기판 위에 입력된 광신호를 광신호로 스위치를 조작하거나 증폭할 수 있는 광트랜지스터를 실현한 것이다. 이 디바이스가 주는 임팩트는 ‘광신호 수광을 통해 발생되는 미세한 전하만으로 전기에서 빛으로 변환할 수 있게 되었다는 점’(산업종합연구소 일렉트로닉스∙제조영역 플랫폼 포토닉스연구센터의 야마다(山田) 총괄연구주간)에 있다.

광트랜지스터는 밖에서 보면 3개의 단자를 가진 빛의 트랜지스터로 되어있다. 내부는 빛에서 전기, 전기에서 빛으로 다시 되돌아가는 구조이다. 기존에는 빛에서 전기로 변환할 때 발생되는 전하는 매우 미세해서 전기신호로 변환해 이용할 때에는 전기 증폭기가 필요. 이때 에너지 소비가 증가해버린다는 문제가 있었다.

NTT가 개발한 광트랜지스터는 미세가공 기술을 이용해 아주 미세한 전하량으로 다시 전기에서 빛으로 변환할 수 있다. 광전 변환에 필요한 에너지량을 빛만으로 충당할 수 있도록 한 것이다. “이 광전융합기술이 IOWN 구상 실현을 위한 충분한 조건이 되어 IOWN 구상을 세상에 내놓을 수 있는 계기가 되었다”라고 사와다 사장은 밝혔다.

IOWN 구상에는 GAFA를 비롯한 IT 거인들이 장악하고 있는 현재의 인터넷 모델을 새로운 기술로 게임체인지 한다는 목적도 있다. IOWN 구상은 단순히 국내 통신 인프라의 미래 구상에 머무르는 것이 아닌, 세계의 정보통신에 변혁을 일으킬 수 있는 기술이 될 수 있을지도 모른다.

 -- 끝 --

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