전기전자/정보통신

NTT기술저널_2020.8 특집 (p6-9)

All Photonics Network의 실현
[IOWN] [All Photonics Network] [광전자융합기술]
NTT첨단기술종합연구소 소장 소가와 테쓰오미(寒川哲臣) 외 3인

NTT R&D가 제창하는 IOWN(Innovative Optical and Wireless Network) 구상과 그 구성요소인 All Photonics Network에 대해, 본고에서는 지향하는 미래와 그것을 실현하기 위한 기술에 대해 개설한다. 또한 All Photonics Network의 실현에 있어서 초저지연∙초저소비전력화의 열쇠가 될 광전자융합기술과 그 로드맵을 소개한다.

-- IOWN 구상이란? --
NTT R&D는 다양성을 수용하는 풍요로운 사회의 구축을 지향하고 있다. 다양성으로 가득한 새로운 세계를 가능하게 하는 것은 타자에 대한 이해이며, 깊이 있는 이해를 위해서는 타자 입장에서의 정보나 감각을 얻는 것이 중요하다. 연구개발을 통해 이러한 세계를 실현하기 위해서는 지금까지 이상으로 고화질, 고감도 센서를 통해 많은 정보를 얻어야 한다. 또한 인간의 감각이나 주관에까지 파고든 정보처리가 요구된다.

이러한 미래상을 위해 NTT R&D는 새로운 커뮤니케이션 기반인 IOWN(Innovative Optical and Wireless Network) 구상을 제창했다. 빛을 중심으로 한 혁신적인 기술로, 초대용량∙초저지연∙초저소비전력을 특징으로 한 네트워크와 정보처리 기반의 실현을 목표하고 있다. 30년의 실현을 목표로 파트너 기업들과 다양한 논의를 하기 시작했다.

IOWN 구상은 다음 3요소로 구성되어 있다. 네트워크부터 단말까지 포토닉스 기반의 기술을 도입하는 ‘All Photonics Network(APN)’, 모든 것을 연결해 그 제어를 실현하는 ‘Cognitive Foundation(CF)’, 실제 세계를 나타내는 많은 디지털 정보를 종합해, 사물이나 사람의 상호작용을 사이버 공간 상에서 재현∙시행 가능하게 하는 새로운 계산 패러다임 ‘Digital Twin Computing(DTC)’이다. 대상 레이어(Layer)는 각각 다르지만, 이들 3요소를 조합함으로써 새로운 시대의 네트워크와 정보처리를 실현할 수 있다고 생각한다.

-- APN의 중요성 --
IOWN 구상의 3요소 중에서 새로운 광통신과 정보처리 기반이 되는 것이 APN이다. APN의 큰 특징은, 기존의 ‘일렉트로닉스’에서 ‘포토닉스(광공학)’로의 전환을 통한 네트워크에서 단말의 엔드-투-엔드로, 최대한 광기술을 도입함으로써 저소비전력에 고속 정보전송과 정보처리 기반의 실현을 목표한다. 저소비전력화에 대해서는 후술하는 광전자융합기술의 도입으로 전력 효율을 100배로 하는 것이 목표다. 또한 전송 용량에 대해서는 하나의 파이버 속에 많은 코어를 늘어뜨린 멀티코어파이버나 코히런트용 광송수신기(COSA: Coherent Optical Sub Assembly) 등의 개발을 통해 125배로 높이고자 한다. 또한 예를 들면 지연이 허용되지 않는 데이터 전송에 대해서는 데이터를 압축하지 않고 전송함으로써 엔드-투-엔드에서의 지연을 200분의 1로 줄이는 것을 목표한다.

-- APN이 지향하는 세계관 --
APN이 실현되면 새로운 활용 장면의 탄생을 기대할 수 있다. 혁신적인 대용량화를 통해, 지금까지는 디지털 변환 단계에서 의도적으로 데이터 양을 삭감하고 있던 정보를 보다 원신호에 가까운 정밀한 상태로 송수신하는 것이 가능해진다. 만약 벌의 시각, 개의 후각, 박쥐의 귀를 자연스럽게 추출해 나간다면 인간의 오감은 크게 확장될 수 있어, 인간의 능력이 향상된 사회를 실현할 수 있을 것이다. 또한 광파이버 전송에서 기능이나 서비스마다 다른 빛의 파장을 할당한다면, 복수의 정보를 동시에 저지연으로 전송하는 것도 가능해진다. 예를 들면, 다채널에서 고화질 이미지를 전송하면서 지연이 없는 상호작용도 가능해져, 원격 수술이나 MaaS(Mobility as a Service) 등 통신 품질에 대한 요구가 크리티컬한 현장에서의 실용화도 가시화된다.

-- 광전자융합기술이란? --
APN을 실현하기 위해서는 광기술을 기존처럼 장거리 전송이나 데이터센터 내 인터커넥트 등의 중거리 전송뿐 아니라 프로세서 칩 내의 신호처리부에도 빛과 전자를 도입한 ‘광전자융합기술’이 필요해진다.

광전자융합기술의 시금석이 될 연구성과가, 세계 최소의 소비에너지로 움직이는 광전자 변환디바이스로, 19년 4월 15일 영국 과학잡지 ‘Nature Photonics’에 발표되었다. 전자회로의 일부에 빛을 융합하는 기술은 20년 이상 전부터 연구가 진행되어 왔으나 디바이스 사이즈나 소비전력이 커 실용기술로서는 확립되지 못했었다. 이번 연구성과로 기존 대비 소비전력을 94% 줄일 수 있었기 때문에 실용화의 가능성이 높아졌다고 할 수 있다.

광전자융합기술의 로드맵을 살펴보자. 우선은 파이버와 실리콘 포토닉스를 통해 실장된 회로, 아날로그 IC 등을 집적한 구조를 실현해 칩 외부와의 접속 속도를 고속화한다(Step1). 다음으로 칩과 칩 사이를 초단거리 광배선을 통해 직접 접속해 정보처리 능력을 향상시킨다(Step2). 마지막으로 칩 내의 코어 사이를 광배선으로 접속해, 빛의 특성을 활용한 광 트랜지스터나 광 패스게이트(Pass Gate) 기술을 적용해 저소비전력화를 추진하고, 광회로의 통과 시간만으로 순식간에 연산을 실현한다(Step3).

-- 본 특집의 내용에 대해 --
이번에는 NTT첨단기술종합연구소의 APN 실현을 위한 광전자융합기술에 대해 특집으로 소개한다. Step1에서는 실리콘 포토닉스 기술을 활용한 초소형광송수신회로를 다룬다. Step2에서는 고밀도∙저소비전력의 광 인터커넥션 기술에 대해, Step3에서는 나노포토닉스 기술을 이용한 광전자 변환 디바이스나 광 패스게이트 회로에 대해 소개한다.

  -- 끝 --