Whatever happened to DNA computing?

실리콘은 가라…반도체 업계를 뒤흔들 ‘게임 체인저들’이 온다

컴퓨터의 핵심 부품인 트랜지스터가 계속해서 소형화되면서 컴퓨터는 계속 발전해왔다. 그러나 실리콘을 기반으로 하는 트랜지스터의 소형화에는 한계가 있으므로 다른 기술이나 물질로 만든 새로운 트랜지스터를 개발할 필요가 있다. 실리콘 트랜지스터의 대안으로 여겨지는 다섯 가지 트랜지스터를 하나씩 살펴보자.

1947년에 첫 번째 트랜지스터가 발명됐을 때, 이것이 세상에 어떤 영향을 미치게 될지 상상한 이는 거의 없었을 것이다. 트랜지스터는 논리회로의 핵심을 이루는 스위치로 사용된다.

컴퓨터 기술이 지금처럼 엄청나게 발달한 데에는 실리콘(silicon)의 도움이 컸다. 아주 약간의 불순물을 더하면 실리콘은 컴퓨터 칩을 구성하는 트랜지스터의 재료로서 거의 이상적인 물질이 된다.

50년이 넘는 시간 동안 엔지니어들은 실리콘을 기반으로 하는 트랜지스터의 크기를 점점 더 줄이면서, 그 과정에서 혁신적으로 작고, 빠르고, 에너지 효율까지 뛰어난 컴퓨터를 만들었다. 그러나 오랫동안 이어진 기술의 발전과 그 원동력이 된 트랜지스터의 소형화는 영원히 계속될 수 없다. 캘리포니아 AMD의 컴퓨터과학자 니콜라스 말라야(Nicholas Malaya)는 “이제 실리콘 트랜지스터의 소형화는 거의 한계에 다다랐기 때문에 실리콘을 뛰어넘을 기술이 필요하다”고 설명했다.

실리콘의 뒤를 이을 다음 기술 후보에는 어떤 것들이 있을까? 지난 50년 동안 다양한 방식들이 대안으로 제시됐다. 여기에 그중에 가장 기억할만한 다섯 개의 대안을 제시한다. 이 다섯 가지 방식은 모두 엄청난 반향을 불러일으켰지만, 아직 실리콘을 뛰어넘지는 못했다. 그래도 여기에 아직 희망이 있을지도 모른다.

spintronics icon

스핀트로닉스

컴퓨터 칩은 전자의 흐름, 더 구체적으로는 전하의 흐름을 제어하는 방법을 이용해서 만든다. 전하뿐만 아니라 전자는 ‘회전 운동(spin)’을 하는데, 이러한 전자의 회전은 자기장으로 조작될 수 있다. 스핀트로닉스((spintronics)는 1980년대에 이러한 회전을 이용해 비트(bit)를 나타낼 수 있다는 아이디어와 함께 등장했다. 회전의 한쪽 방향은 ‘1’을, 다른 방향은 ‘0’을 나타내는 것이다.

이론적으로 스핀트로닉 트랜지스터는 더 집약적인 칩을 만들 수 있을 만큼 작게 만들어질 수 있다. 그러나 실제로는 그런 소형 스핀트로닉 트랜지스터를 만들기에 적합한 물질을 찾기가 어려웠다. 연구자들은 기본적인 재료과학에 대한 연구가 계속 이루어질 필요가 있다고 생각한다.

그레고리 푹스(Gregory Fuchs) 코넬대학교 응용물리학 교수는 스핀트로닉 기술이 특정 영역에서만 상용화되어왔다고 말했다. 지금까지 스핀트로닉스로 이루어낸 가장 큰 성공은 비휘발성 메모리(nonvolatile memory)로, 이것은 전원 공급이 되지 않는 상황에서 데이터 손실을 방지하는 기술이다. ‘스핀 전송 토크 랜덤 액세스 메모리(STT-RAM: spin transfer torque random access memory)’는 2012년부터 생산되기 시작했으며, 클라우드 저장 시설에서 찾아볼 수 있다.

멤리스터

일반적인 전기는 커패시터(capacitor, 축전기), 레지스터(resistor, 저항기), 인덕터(inductor, 유도기)의 세 가지 요소를 기반으로 한다. 1971년, 전기공학자 리언 추아(Leon Chua)는 네 번째 요소를 이론화했다. 그는 그 네 번째 요소를 ‘메모리 레지스터(memory resistor)’를 줄인 ‘멤리스터(memristor)’라고 명명했다. 2008년에 휴렛 팩커드의 연구원들은 이산화타이타늄(titanium dioxide)을 사용해서 처음으로 실용적인 멤리스터를 개발했다.

이는 매우 흥미를 자극하는 일이었다. 멤리스터는 이론적으로 메모리와 논리 연산 양쪽에 사용될 수 있기 때문이다. 멤리스터는 마지막으로 적용된 전압을 ‘기억’하기 때문에 전원이 공급되지 않더라도 정보를 계속 보유할 수 있다. 또한 멤리스터는 적용된 전압에 따라 저항이 변할 수 있다는 점에서 일반적인 레지스터와는 다르다. 이러한 변화는 논리 연산을 수행하는 데 사용될 수 있다. 컴퓨터 메모리 안에서 연산이 가능해지면, 메모리와 처리장치 사이에 오고 가야 하는 데이터의 양을 줄일 수 있다.

멤리스터는 ‘저항 변화 메모리(resistive random access memory)’를 나타내는 ‘RRAM’ 또는 ‘ReRAM’이라는 명칭의 비휘발성 저장장치로 처음 상용화되었다. 그리고 이 분야는 여전히 발전하고 있다. 2019년에 연구자들은 인공지능(AI)에 사용할 수 있는 5,832개의 멤리스터로 이루어진 칩을 개발하기도 했다.

탄소 나노튜브

탄소는 이상적인 반도체가 아니다. 그러나 적절한 조건이 갖춰지면, 매우 뛰어난 품질의 나노튜브를 만드는 데 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 2000년대 초반에 처음 트랜지스터로 만들어졌고, 연구에 따르면 그 나노튜브들은 실리콘보다 에너지 효율이 10배나 더 높았다.

사실 여기서 다루고 있는 다섯 개의 대안 트랜지스터 중에서 탄소 나노튜브가 상용화까지 가장 오래 걸릴 수도 있다. 2013년에 스탠퍼드 대학교 연구원들이 세계 최초로 탄소 나노튜브 트랜지스터로만 전력을 공급받는 컴퓨터를 개발하기는 했지만, 그것은 매우 단순한 컴퓨터였다.

그러나 탄소 나노튜브는 작은 공 형태로 둥글게 말려서 스파게티처럼 서로 모이는 경향이 있다. 게다가 대부분의 전통적인 합성 방법들을 사용하면 반도체 나노튜브와 금속 나노튜브가 서로 뒤죽박죽 섞이게 된다. 물질 과학자들과 공학자들은 이러한 불완전성을 수정하고 해결책을 찾기 위한 방법을 연구하고 있다. 2019년에 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구진은 더 개선된 기술을 사용해서 1만 4,000개 이상의 탄소 나노튜브 트랜지스터로 이루어진 16bit 마이크로프로세서를 만들었다. 수백만 개 또는 수십억 개의 트랜지스터로 이루어진 실리콘칩과 비교하면 아직 갈 길이 멀지만, 기술은 계속 발전하고 있다.

DNA 컴퓨팅

1994년에 로스앤젤레스 서던캘리포니아 대학교의 컴퓨터과학자 레너드 애들먼(Leonard Adleman)은 DNA를 이용해서 컴퓨터를 만들었다. 그는 DNA가 시험관에서 스스로 조립되면서 그 유명한 ‘외판원 문제(Traveling Salesperson Problem, TSP)’에서 가능한 모든 경로를 탐색할 수 있다는 사실을 증명했다. 전문가들은 DNA 컴퓨팅이 특히 대규모 병렬 컴퓨팅을 이용하는 방식으로 실리콘 기반 기술을 뛰어넘을 수 있을 것이라고 예측했다. 나중에 연구자들은 DNA 컴퓨팅이 그런 일을 가능하게 하기에는 속도가 충분히 빠르지 않다는 결론을 내렸다.

그러나 DNA에는 몇 가지 이점이 있다. 연구자들은 DNA로 시, GIF 이미지, 디지털 영화 등을 분자로 부호화할 수 있다는 것을 증명했다. 잠재적인 ‘밀도’도 엄청나다. 올해 초에 MIT의 생물공학자들은 논문에서 전 세계의 모든 디지털 데이터가 DNA로 가득 찬 커피 머그잔 하나에 저장될 수 있다고 예측했다. 문제는 비용이다. 논문의 공동 저자 중 한 명은 나중에 DNA 합성이 자기테이프(magnetic tape)와 경쟁하려면 100만 배는 더 저렴해져야 한다고 설명했다. 연구자들이 DNA 저장 비용을 줄이지 못하면, DNA는 세포 속에 계속 갇혀 있어야 할 것이다.

molecule icon

분자 전자

분자 전자(molecular electronics)는 ‘트랜지스터가 점점 더 작아진다고 하면, 그렇게 작아지는 단계를 전부 뛰어넘어서 바로 개별 분자로 트랜지스터를 만들어볼 수 없을까?’라는 매력적인 아이디어에서 출발했다. 나노미터 크기의 스위치를 이용하면 매우 비용 효율적이며, 집약적인 칩을 만드는 데 도움이 될 것이다. 분자를 이용한 이러한 칩은 분자들의 상호작용 덕분에 스스로 조립될 가능성도 있다. 휴렛 팩커드와 다른 기관 소속의 연구원들은 2000년대 초에 이러한 기술 개발을 위해 경쟁했다.

그러나 십여 년 동안 연구가 이루어졌음에도, 분자 전자를 향한 꿈은 여전히 제자리걸음을 하고 있다. 연구원들은 개별 분자가 한정된 조건 하에 트랜지스터로 작동할 때 다루기 매우 까다로워질 수 있음을 발견했다. 앨버타대학교의 화학자 리처드 매크리리(Richard McCreery)는 “개별 분자 장치들이 대규모 병렬 마이크로일렉트로닉스로 확실하게 통합될 수 있는지는 아무도 알 수 없다”고 설명했다.

분자 전자를 향한 꿈은 완전히 사라지지 않았지만, 이 분야는 요즘 화학이나 물리 실험실에서 연구되는 경우가 많다. 그곳에서 연구자들은 끝없이 변덕스러운 분자들을 제어하기 위해 계속 분투하고 있다.

다음은 무엇일까?

실리콘이 여전히 반도체 분야를 장악하고 있기는 하지만, 실리콘 반도체의 한계에 도달할 시간이 점점 다가오고 있다. 국제 디바이스 및 시스템 로드맵(IRDS: International Roadmap for Devices and Systems)의 가장 최근 보고서에서는 트랜지스터 소형화는 2028년 이후에 중단될 것이며, 더 빠르고 효율적인 칩을 계속 개발하기 위해서는 집적회로(IC)를 3차원으로 쌓아야 할 것임을 시사했다.

따라서 지금이 다른 컴퓨팅 장치들이 빈자리를 찾아야 할 때다. 그러나 실리콘 기술과의 결합이 필요할 것이다. 연구원들은 칩을 만드는 혼합 방식을 연구하고 있다. 2017년에 탄소 나노튜브 트랜지스터에 진전을 가져왔던 연구팀이 그 나노튜브를 비휘발성 멤리스터와 실리콘 장치들에 통합했다. 기존 설계 방식에서 벗어나 컴퓨팅의 속도와 에너지 소비를 개선할 방식을 적용한 프로토타입이라고 할 수 있다.

AMD의 말라야에 따르면 기존 실리콘 기반 칩들도 계속 발전할 것이다. 그러나 그는 “미래에는 다양한 방식이 공존할 것이다. 모든 기술들이 기존 컴퓨팅을 보완할 방법으로 사용될 것”이라고 덧붙였다. 다르게 말하면, 미래에도 실리콘은 계속 이용될 것이라는 뜻이다. 그러나 미래에는 다른 물질들도 함께 이용될 것이다.

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