中, 전자 아닌 광자 컴퓨터서 두각…AI 전력 문제 해소할까

광학 칩은 전자가 아닌 빛의 입자인 광자를 이용해 정보를 전송한다. 광자는 에너지를 열로 방출하지 않아 에너지 효율이 뛰어나다. 게티이미지뱅크 제공

인공지능(AI) 모델 규모가 커지면서 구동에 필요한 전력 소모량이 급증하고 있다. 중국 과학자들이 전기 대신 빛으로 작동해 에너지 효율이 높은 광학 컴퓨터 칩 연구를 통해 돌파구를 찾고 있다.

국제학술지 '네이처'는 1월 30일(현지시간) 중국의 광학 칩 연구개발 현황을 조명했다.

광학 칩은 전자가 아닌 빛의 입자인 광자를 이용해 정보를 전송한다. 광자는 에너지를 열로 방출하지 않아 에너지 효율이 뛰어나다. 일부 센서나 통신 시스템, 생체 의학 장치에는 이미 널리 사용되는 방식이다.

빛의 성질인 진폭과 위상, 간섭 패턴을 제어하는 광학 칩은 트랜지스터로 전압을 조작하는 전자 칩보다 생성형 AI 같은 복잡한 작업을 구현하는 데 기술적 장애물이 높다.

중국은 광학 칩 연구에 인력과 자원을 투입하며 앞서 나가고 있다. 네이처는 지난해 중국 연구팀이 광학 칩 관련 논문 476편을 발표해 최다 기록을 세웠다고 분석했다. 

주목할 만한 성과도 나오고 있다. 이통 첸 중국 상하이교통대 정보과학 및 전자공학부 교수팀은 고급 생성형 AI 모델을 실행해 이미지와 동영상을 생성할 수 있는 라이트젠(LightGen)이라는 광학 칩을 개발하고 연구결과를 지난해 12월 18일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개했다.

연구팀은 빛을 미세 조작하도록 설계된 고밀도 다층 메타표면을 활용해 칩에 수백만 개의 광학 '신경세포'를 집적했다. 메타표면은 자연에 없는 특성을 내는 구조를 말한다.

연구팀은 광학 시스템에 특화된 훈련 알고리즘을 개발해 라이트젠에 적용한 결과 AI 생성 과제에서 미국 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU)인 A100 같은 고성능 프로세서의 성능과 효율을 능가했다고 주장했다.

쳉 젱광 중국 상하이 푸단대 재료과학과 교수는 미국의 첨단 장비 수출 제한 등으로 중국이 고성능 컴퓨팅을 위한 대체 경로를 모색하는 동기가 더욱 강해졌다고 봤다. 그는 "중국 정부가 라이트스탠다스(LightStandard)와 이노라이트(InnoLight) 등 광학 칩 스타트업을 포함한 산업계와 학계의 긴밀한 협력을 장려해 광학 칩 상용화를 가속하고 있다"고 설명했다. 

광학 칩에 남은 숙제는 아직 많다. 구동 자체의 에너지 효율은 높지만 레이저, 검출기, 신호 변조기 등 구현에 필요한 부품이 에너지 효율을 상쇄할 수 있다는 시각도 있다. 벤 애글턴 호주 시드니대 교수는 "광학 칩이 실용적으로 투입된 후에야 답을 확인할 수 있을 것"이라고 말했다.

확장성 측면에서도 제한적이다. 전자 칩은 보통 단일 제품이 범용적으로 사용되지만 광학 칩은 용도에 따라 구조가 달라져야 한다.

애글턴 교수는 "광학 칩이 전자 칩을 완전히 대체할 가능성은 낮다"며 "하이브리드 컴퓨팅 생태계에서 특수한 구성 요소로 자리 잡을 것"이라고 전망했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/science.adv7434

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]