전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2021.3 특집 요약 (p22-65)

인터넷의 한계 극복
NTT 'IOWN'의 야망, 광전융합기술로 차세대 정보인프라의 탈환

총론. 일렉트로닉스에서 포토닉스로
한계가 임박한 인터넷, ‘광’으로 NTT가 도전

인터넷이 기로에 접어들고 있다. 인공지능(AI)의 침투로 데이터 계산량이 폭발적으로 증가하면서, 이대로는 소비전력 증가에 브레이크가 걸리지 않기 때문이다. 최근에 이를 극복할 기술로서 광기술이 주목을 받고 있다. 전자기술(일렉트로닉스)과 비교해 에너지절약형인 광기술(포토닉스)이 인터넷의 한계를 돌파할 수 있는 길을 개척한다.

음성부터 텍스트, 영상에 이르는 모든 정보를 운반하는 인프라로서 과거 30년간 진화를 거듭하며 세계적으로 혁명을 일으켜 온 인터넷. 그 인터넷이 기로에 섰다. 인터넷 데이터 양의 폭발적 증가로 인한 전력소비량의 증가라는 과제에 직면했기 때문이다.

미국 시스코의 조사에 따르면, 세계의 IP 트래픽은 연평균 26%로 확대되고 있고, 22년에는 월 396EB(엑사바이트)에 달할 것이라고 한다. 심층학습의 확대도 데이터 양의 폭발에 기여하고 있다. AI가 이용하는 데이터 양은 최근 5년간 30만배 증가했다는 조사결과도 있다.

데이터 양이 증가할수록 정보처리 계산량이 확대되면서 전력이 필요해진다. 과학기술진흥기구 저탄소사회전략센터가 19년에 조사한 리포트에 따르면, 세계의 IT관련 소비전력량은 현재의 기술 그대로 에너지절약 대책을 실시하지 않을 경우, 30년에 16년의 5,000배가 될 것이라고 한다. 현재 전세계의 소비전력 약 24,000TWh/년과 비교해도 약 200배다.

지금까지는 과거 50년에 걸쳐 전자산업을 견인해 온 ‘무어의 법칙’으로 소비전력의 폭발을 억제할 수 있었다. 미세화 기술의 진전으로 CPU 성능이 1년 반 만에 2배가 되므로 데이터 양이 증가해도 성능 향상으로 전력소비를 억제할 수 있었기 때문이다.

그러나 최근에 AI 수요에 따른 데이터 폭발은 무어의 법칙에 의한 성능 진화로는 커버할 수 없는 속도가 되었다. 또한 무어의 법칙 자체도 미세화 진전이 주춤하면서 동작 주파수와 소비전력 면에서 진화의 벽에 직면했다.

컴퓨터 구조 자체에도 장벽이 보인다. 예를 들면 CPU와 다른 전자회로를 연결하는 I/O부분이다. 미국 인텔에 따르면 계산 수요의 증대로 I/O부분의 대역폭은 3년에 2배의 속도로 계속 증가하고 있다고 한다. 소비전력의 효율화가 뒤따르지 못하면서 언젠가 벽에 직면할 것이라고 지적한다.

-- 포토닉스로 한계 돌파 --
-- 광트랜지스터 개발이 IOWN의 계기로 --
-- 1인 1파장, 탈 TCP/IP로 --
-- 서버를 광으로 ‘재정의’ --
-- 24년 말까지 사양 책정, 세계 전략도 --

Part 1. 광전융합
광을 칩 근처에서 내장으로, 모듈 상용화를 23년에

광기술로 컴퓨터의 형태가 크게 변하려 하고 있다. 관건은 광신호와 전기신호를 융합하는 광전융합 기술이다. NTT는 저소비 에너지로 움직이는 빛의 특징을 살려, 전기신호로 처리하고 있던 서버 내의 신호전달과 정보처리를 단계적으로 광신호로 바꿔나갈 계획이다. 그에 따라 컴퓨터의 아키텍처도 변화한다.

광의 강점을 살리는 IOWN 구상에서 광신호와 전기신호를 융합해 나가는 광전융합 기술은 가장 중요한 역할을 한다.

현재의 서버는 용기 내부의 버스로서 전기신호에 의한 PCIe(PCI Express) 등을 사용하고 있다. 전기신호는 고속∙대용량 데이터를 회로에 전송할 때 에너지 손실이 크고, 열이 쉽게 발생한다는 약점이 있다. “손실이 상당히 커서 큰 에너지를 이용해 감쇠분을 보상하지 않으면 안 된다”(NTT 첨단집적디바이스연구소 사카모토(坂本) 수석연구원)

NTT는 광전융합 기술로 그 과제를 해결할 생각이다. 서버 내의 신호전달에서 칩 내부의 정보 처리까지 단계적으로 광화(光化)함으로써 전기신호에 의한 에너지 손실 문제를 해소해 나간다.

-- LSI 근처부터 단계적으로 광화(光化) --
우선 스텝1은 23년 무렵부터 광신호와 전기신호의 변환을 지원하는 광전융합 모듈을 LSI 등의 근처에 배치한다. 광전융합 모듈로 서버 내를 광신호로 교환할 수 있도록 한다.

스텝2는 25년 무렵을 상정하고 있다. 광전융합 기술을 실리콘 배선기판(인터포저)에 실장할 수 있도록 소형화∙고밀도화한다. 복수의 LSI와 광송수신 회로를 하나의 디바이스에 패키지화해서 LSI 간 광통신이 가능하도록 실현해 나간다.

마지막 스텝3은 IOWN 구상의 상용화 타겟인 30년 이후를 상정한다. 여기서는 나노포토닉스 기술이나 미세가공 기술 등을 이용해, 칩 내의 일부 정보처리를 광신호가 담당하도록 해 나간다. 스텝을 밟을 때마다 광전융합 기술이 소형화되면서 보다 저소비 전력이 진행되는 로드맵이다.

NTT는 스텝1의 광전융합 기술의 이미지로서, 20년 11월에 개최된 NTT의 연구개발 이벤트 ‘NTT R&D 포럼 2020 Connect’에서 목업(Mock-UP)을 소개했다. LSI의 주위를 감싸듯이 광전융합 모듈이 배치되어 있고, 여기에서 전기신호와 광신호가 변환하는 이미지를 소개했다.

현재, 탑재를 위해 개발하고 있는 광전융합 모듈은 광트랜시버(Co-packaged Optics Type)라는 것으로, 내부에 레이저나 파장분할 다중이 가능한 도파로를 묶은 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 등이 있다. 이 모듈 그 자체는 “23년의 상용화를 목표한다”(NTT 사와다(澤田) 사장).

전기신호를 광신호로 변환할 경우의 동작 이미지는, LSI의 전기신호를 레이저로 광신호로 변환한다. AWG가 복수의 다른 파장의 광을 묶는 역할을 담당한다. 역으로 광신호를 전기신호로 변환하는 경우는 레이저 대신에 수신기를 사용한다.

-- 내부의 광화(光化)로 서버 쇄신 --
-- 메모리 중심 처리로 CPU 의존 탈피 --
-- 나노포토닉스 기술로 칩 내부에 --
-- 미세한 광트랜지스터로 신호처리 --
-- 광 전파로 고속연산을 목표 --
-- 산총연이나 나고야대학도 연구개발 --

Part 2. All Photonics・Network
‘1인 1파장’으로 100Gbps, 탈 TCP/IP로 초저지연

IOWN 구상이 제시하는 ‘초고속∙대용량으로 초저지연 네트워크’. 이를 실현하는 것이 ‘All Photonics・Network(APN)’다. ‘1인 1파장’의 엔드 투 엔드 패스를 만들어, 용도 별로 고속∙대용량 전송이 가능하도록 한다. 지연을 피할 수 없는 현재의 네트워크를 개선하기 위해 TCP/IP를 대신할 새로운 데이터 전송 방법도 고안한다.

APN은 그 이름대로 현재 중계계 네트워크에 사용되고 있는 광전송을 엔드 투 엔드로 확장해, 유저나 용도 별로 광 상태로 초고속∙대용량 통신을 실현하는 기술이다.

광전송의 강점은 하나의 광 파이버에 다른 파장을 다중함으로써 대용량화할 수 있다는 것이다. APN은 이 파장 다중을 엔드 유저인 네트워크까지 확장, ‘1인 1파장’과 같은 세계의 실현을 목표한다. 1유저 당 100Gbps(기가비피에스)와 같은 초고속∙대용량 통신도 시야에 넣는다. 예를 들면 풀HD 60분 동영상이라면 불과 0.1초에 업로드할 수 있다. 지연도 마이크로초 오더까지 억제할 수 있다고 한다. “연결하고 싶은 장소와 장소를 서비스 요구에 따라 대용량 광 패스로 즉시 연결하는 컨셉트다”(네트워크기반기술연구소 야스카와(安川) 수석연구원)

이 정도의 초고속∙대용량 통신이 실현되면 영상 등을 압축해 전송할 필요가 없어진다. 특정 프로토콜에 의존하지 않고, 모든 데이터를 대용량의 광 토관을 통해 순식간에 전송할 수 있게 되는 것도 APN이 목표하는 세계다.

그런 APN의 첫 유스케이스로서 대용량∙저지연이 요구되는 영상 전송을 상정하고 있다. NTT는 20년 11월에 개최한 연구개발 이벤트 ‘NTT R&D 포럼 2020 Connect’에서, APN의 프로토타입 시스템을 전시. 방송국의 영상 중계 등의 용도를 상정하고, 8K 영상 콘텐츠를 비압축 상태로 실험망 내에 전송하는 시연을 공개했다.

-- E2E의 광 패스로 논리구성 --
-- 파장대 변환으로 중복 문제를 해결 --
-- 광대역을 증폭하는 광 앰프도 개발 --
-- 낭비 없이 파장을 할당 --
-- APN에서는 TCP/IP의 한계가 현재화 --
-- RDMA의 과제는 보안 --

Part 3. 디지털트윈
도시부터 사람의 마음까지 재현, 미래를 예측해 행복을 제공

NTT가 현실세계를 그대로 재현한 가상 사회를 만들고 있다. 교통이나 인프라, 그리고 사람에 이르기까지 ‘있을지도 모르는 미래’를 찾아내 즉석에서 반영한다. 초고정밀도 3차원 지도에 실세계의 실시간 데이터를 추가한 거대한 디지털트윈이다. 실현하면 일상생활이나 인간의 가치관을 일변시킬 가능성도 안고 있다.

NTT가 30년대 상용화를 목표하고 있는 IOWN 구상. 그 큰 기둥 중 하나가 현실세계의 도시나 개인을 사이버 공간에 재현하는 거대한 디지털트윈이다. 기업이나 개인의 센싱 데이터를 상호 연계함으로써 교통 정체부터 미래의 자신에 이르기까지 폭넓은 미래를 예측할 수 있도록 만들어 나간다.

‘디지털 쌍둥이’를 의미하는 디지털트윈은 제조업에서의 공장 최적화 등 개별 용도에서 사용되는 일이 많다. 그에 대해 IOWN 구상의 ‘디지털트윈 컴퓨팅’은 사물에서 사람에 이르기까지 도시의 모든 요소로 거대 디지털트윈을 만들고, 그에 센싱 데이터를 반영. 실시간으로 분석한다. “개인의 디지털트윈을 레고 블록처럼 조립해 구동하는 이미지다”(NTT 디지털트윈컴퓨팅연구센터 나카무라(中村) 센터장).

이 거대한 시뮬레이션의 목표는 다양한 사회 과제의 해결이다. 예를 들면, 도시의 디지털트윈에 자율주행 차의 센싱 데이터 등을 조합하면 눈앞의 교통 상태를 미리 예측. 그 결과에 근거해 자율주행 차량을 제어함으로써 ‘정체가 없는 사회’를 실현할 수 있다. 사람의 내면까지 카피한 ‘또 다른 자신’과 대화하면 개인의 의사 결정에 참고할 수도 있다.

NTT는 이들 디지털트윈을 앞으로 몇 년 안에 실현하려 하고 있다. 25년에 도시의 디지털트윈에서 정체 예측, 27년에는 개인의 디지털트윈에서 ‘또 다른 한 명의 자신(Another Me)’을 재현한다는 목표다.

-- 예측 정밀도를 높이는 초고정밀도 지도 --
-- GNSS의 오차를 개선 --
-- LiDAR도 저비용으로 --
-- 참여 기업 확대가 관건 --
-- 심장의 디지털트윈도 --
-- ‘또 다른 자신’, 27년에 --
-- ‘빅브라더’를 만들지 않는 사회로 --

Part 4. 세계 공략
IOWN은 처음부터 세계를 시야, 죽음의 계곡을 극복하는 3개 조건

IOWN 구상을 실현하기 위해 빠른 속도로 연구개발을 추진하는 NTT. 실현의 관건은 세계 공략이다. 이제는 세계를 전망하지 못하면 정보통신기술 트렌드를 만들 수 없다. 국내외에서 어떻게 유력기업과 협업관계를 구축할 것인가? NTT는 지금까지 없는 어프로치로 움직이고 있지만 과제도 많이 남아 있다.

“일렉트로닉스에서 포토닉스에 이르기까지. 자신의 기술을 소개하고 싶은 세계적인 기업들만 모였다”. NTT 연구기획부문의 가와조에(川添) 부문장은 IOWN의 사양을 책정하는 IOWN Global Forum에 참가하는 기업의 면면에 대해 이렇게 설명했다.

저소비 에너지에 뛰어난 광기술을 Beyond 5G/6G 시대의 컴퓨팅 기반부터 통신에 이르기까지 활용해, 세계의 정보통신 기반을 뿌리째 변혁하려는 IOWN 구상. NTT나 국내의 인프라 도입에 그친다면 글로벌화되고 있는 세계 시장에서 주도권을 잡을 수 없다. 세계의 통신사업자가 All Photonics・Network(APN)와 같은 인프라를 도입하고, IT기업이 IOWN 구상의 광전융합 기술을 제품이나 서비스에 활용하게 되면 비로서 세계를 게임체인지할 수 있다.

NTT는 i모드의 세계 전개에 실패한 과거 경험을 통해 그 사실을 통감하고 있다. IOWN 구상의 실현을 위해 처음부터 세계를 전망하고 움직인다. 첫 시작으로 IOWN Global Forum을 미국에 설립. 이 포럼에는 미국 인텔이나 마이크로소프트, NVIDAI, 스웨덴의 에릭슨 등 세계의 쟁쟁한 대기업이 참가하는 등 첫 출발은 좋다.

“상징적인 것은 IOWN Global Forum에 참가하는 통신사업자가 대만의 청화텔레콤 정도밖에 없다는 점이다. 기술의 이노베이션을 정말 일으키고 싶은 기업이 모여 있다는 것의 반증이다”(가와조에 씨). 통신사업자가 이러한 국제단체를 설립할 경우, 세계 각국의 대형 통신사업자가 이름을 올리는 경우가 많다. 미국에서는 AT&T나 Verizon, 유럽에서는 영국 Vodafone이나 독일 Deutsche Telekom, 스페인 Telefónica와 같은 사업자가 단골고객이다.

그러나 이러한 통신사업자들이 만든 국제단체가 세계의 IT를 포함한 큰 흐름을 창출하는 일은 지금까지 거의 없었다. 기술혁신은 반도체기업이나 IT기업이 추진하고, 통신사업자는 기기를 조달해 서비스를 제공하는 입장이다. 결국, 외부에서 개발된 기술을 채용할 수밖에 없다.

그러나 NTT는 해외의 통신사업자와는 일선을 긋는다. 지금은 세계의 통신사업자가 거의 손을 놓아버린 기초연구를 포함한 본격적인 연구개발 체제를 보유하고 있다. 과거에는 1970년의 오카사박람회에서 코드리스 전화기를 출품했고, 1977년에는 광파이버 제조기술을 고가전기공업과 공동 개발했다. 국내에 3개의 종합연구소, 북미에도 기초연구를 추진하는 연구소 설치, NTT 지주회사에만 약 2,300명의 연구자가 있다. IOWN 구상은 이들 연구소의 개발성과를 담고 있다. IOWN 구상의 핵심인 광전융합 기술도 연구소에서 오랫동안 추진해 온 광기술의 연구성과다.

-- 구상대로 결실을 맺지 못하다 --
-- 언제, 누구와, 어디까지 할 것인가? --
-- 갈라파고스화하지 않는다 --
-- 과제는 생산기술의 확립과 저가격화 --
-- GAFA보다 한 자릿수 적은 연구개발비 --
-- 보수 1억엔의 연구자도 --
-- 게임체인저가 될 수 있을까? --

 -- 끝 --

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