[포럼] 반도체 초격차, 첫째도 둘째도 기술

김덕기 한국연구재단 나노반도체단장·세종대 교수

현대에 있어 각 국가의 경제 성장과 안보를 위해 중요한 정보통신 기술의 발전은 반도체 기술의 혁신을 필요로 한다. 첨단 반도체 기술은 기하급수적인 데이터 양의 이동, 저장, 계산, 보안, 최종 사용자의 정보 활용 등에 필요하다. 현재의 컴퓨터 관련 시스템은 감지, 인식 및 추론과 함께 AI 연계를 필요로 하여 현재의 시스템으로는 물리적 한계에 의해 하드웨어 성능이 제약되는 상황이 예측된다. 이를 타파하기 위해서는 미국반도체연구조합(SRC) 등에 의해 작성된 10년 후를 예측한 '2030 반도체 관련 보고서'를 기반으로 다음과 같이 반도체 기술을 핵심 추진력으로 하는 새로운 가치 창출이 되어야 한다고 본다.

첫째, 보다 스마트하게 작동할 수 있도록 아날로그 하드웨어의 근본적인 혁신이 필요하다. 즉, 첨단 제조 혁명의 다음 물결은 감지, 로봇, 산업, 자동차, 의료 등이 포함된 차세대 아날로그 기반 산업용 전자제품에서 나올 것으로 예상되나 물리적 세계를 인식하는 인간의 능력은 상당히 제한적이다. 미래 아날로그 전자공학에는 인간의 감각 체계를 증강시키는 엄청난 기회가 있으며, 이를 통하여 상당한 경제적·사회적 결과를 가져올 것으로 보고 있다.

특히 신경계 인터페이스와 통신을 포함하여 인간의 감각과 인지 시스템을 대상으로 하는 멀티미디어 생성을 들 수 있다. 이는 멀티센싱 기반의 의료진단 및 치료, 가상현실의 실현, 실내 공기 질에 따른 능동적인 악취 제거 등 인간 중심의 신기술로 이어질 수 있다. 그러므로 인간의 뇌에 보다 유사한 정보의 실제 사용을 위해 아날로그 정보가 10만대 1의 비율로 압축되고 축소되는 기술이 필요하다.

둘째는, 메모리 수요의 증가로 인해 세계적인 실리콘 공급 능력을 초과하는 획기적인 새로운 메모리 및 저장 기술의 발전이 필요하다. 기존 실리콘 기반 메모리와 저장에 대한 전 세계 수요는 기하급수적으로 증가하고 있는 반면, 실리콘 생산은 선형적으로 성장하고 있다. 이러한 불균형에 의해 실리콘 메모리가 제타(10의 21 제곱바이트 정보량) 규모의 빅 데이터 전개에 따라 향후 20년 이내에 엄청나게 고가화 될 것으로 예측된다.

그러므로 메모리 단계별로 10~100배 이상의 밀도와 에너지 효율성을 향상시킨 새로운 메모리나 메모리 구조 관련 기술이 필요하다. 이와 함께 100배 이상의 저장 밀도 기능을 갖춘 새로운 저장 시스템 및 관련 기술도 필요하다. 더 나아가 Si 동위원소 등 관련 신소재의 개발도 필요할 것으로 생각한다.셋째, 늘어나는 정보량과 데이터 생성 속도의 불균형을 해소할 수 있는 기술이 필요하다. 현재 세계의 기술 정보 저장 요구와 통신 용량 사이의 격차가 점점 커지고 있어 현재는 전 세계에 저장된 모든 데이터를 1년 이내에 전송할 수 있지만 현재의 기술과 여건이라면 2040년 경에는 전송에 최소 20년이 걸릴 것으로 예측하고 있다. 그러므로 연간 100~1000 제타 바이트의 데이터 이동이 가능한 최소의 에너지를 요구하는 통신과 이에 연계되는 네트워크 용량을 최대화 하기 위한 효과적인 대역폭을 활용하는 지능적이고 신속한 네트워크 기술이 필요하다.

넷째는 상호간에 고도로 연결된 시스템과 AI의 새로운 보안 문제를 해결하기 위한 하드웨어의 혁신적인 기술이 필요하다. 오늘날 보안 및 개인정보보호 분야는 새로운 사용 사례, 위협 및 기술 기반이 등장함에 따라 급변하고 있다. 양자 컴퓨팅의 출현은 현재의 암호와 방법에 대한 취약성을 발생시킬 것이므로 양자 공격에 대항하는 새로운 암호화 표준과 함께 이를 반영한 시스템의 성능을 고려해야 할 것이다.

즉, 신뢰할 수 있는 AI시스템, 보안 하드웨어 기반, 새롭게 떠오르는 양자 및 분산 암호화 알고리즘 등에 보조를 맞출 수 있는 개인 정보 보호 및 보안 하드웨어 기술의 발전이 필요하다. 마지막으로 전 세계 에너지 생산 대비 컴퓨터 작업에 소요되는 에너지 수요가 지속적으로 증가하고 있으므로 새로운 컴퓨터 시스템은 현재보다 100만배 이상으로 에너지 효율이 획기적으로 개선되어야 한다. 현재 범용 컴퓨팅에 의한 총 에너지 소비량은 지속적으로 기하급수적(매 3년에 2배)으로 증가하고 있는 반면에 전 세계의 에너지 생산량은 연간 약 2%씩 선형적으로 증가하고 있는 현실이다.

또한 관련 기기 등의 연계는 물리적인 한계로 무어의 법칙(2년 단위로 반도체 성능이 2배 증가)이 느려지고 있는 등 컴퓨팅 에너지의 기하급수적인 증가에 대한 에너지 효율성의 근본적인 개선이 필요하다. 이와 함께 각종 에너지 하베스팅 등 새로운 에너지원의 개발 등도 함께 고려되어야 할 것 같다.

다가오는 4차 산업혁명에 있어 AI, 빅데이터 등과 함께 반도체가 그 중심을 차지할 것이기에 삼성의 이재용 회장이 언급한 '첫째도 둘째도 셋째도 기술'이라는 말을 다시 한 번 생각해 볼 때이다.