완벽한 컴퓨터 칩 개발 대련!

목차

1. 디지털 경제의 자원 소모
   • 비디오 스트리밍과 세계 탄소 배출량
   • 스마트폰, 컴퓨터, 데이터 센터의 전력 소비
   • 데이터 센터의 문제와 해결 방안
2. 탄소 나노튜브로 더 나은 컴퓨터 칩 만들기
   • 탄소 나노튜브의 소개와 특징
   • 탄소 나노튜브를 활용한 초절전 컴퓨터 칩 개발
   • 과제와 도전을 극복하기 위한 연구와 발전
3. 광전자 디바이스와 광통신의 잠재력
   • 광전자 디바이스와 광통신의 이점
   • 광전자 칩을 활용한 인공지능 응용 분야
   • 광전자 기술의 현재와 미래
4. 뉴로모픽 칩으로 혁신적인 로보틱스 구현
   • 인간 두뇌와 뉴로모픽 칩의 비교
   • 로보틱스 분야에서의 뉴로모픽 칩 응용
   • 뉴로모픽 칩의 장점과 과제

✨ 디지털 경제와 자원 소모

디지털 경제가 전 세계 자원에 미치는 영향에 대한 추정은 다양합니다. 그 중 한 가지 데이터는 스마트폰이나 PC를 통해 동영상을 스트리밍하는 사람들 만으로도 세계 탄소 배출량의 1%가 발생한다는 것입니다. 스마트폰, 컴퓨터, 데이터 센터 등 우리가 당연시 여기는 디지털 기기와 활동은 전체 전력 사용량 중 약 7%를 차지한다고 추정됩니다. 이러한 경향은 점점 더 심해지고 있으며, 우리가 기기에 점점 더 의존함에 따라 더욱 악화될 것으로 예상됩니다. 이 문제를 가장 잘 이해할 수 있는 방법은 데이터 센터에서 무슨 일이 벌어지고 있는지 살펴보는 것입니다. 데이터 센터는 우리가 생성한 모든 정보를 처리하는 컴퓨터가 가득한 거대한 공장입니다. 이러한 거대한 데이터 센터들은 이후 몇 년 내에 훨씬 더 많은 전력을 사용하게 될 것으로 예상되며, 이러한 자원 소모는 지속 가능하지 않다는 것은 명백합니다. 우리는 새로운 해결책이 필요합니다. 우리는 새로운 기술적 해결책이 필요합니다. 전 세계의 과학자와 스타트업이 환경에 친화적인 저전력 컴퓨터 칩을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 칩은 환경에 이점을 제공하면서 디지털 기기의 지능을 업그레이드할 수 있습니다. 모든 분야에서 컴퓨터가 더 나아지는 것은 매우 중요합니다. 금융, 화학 공학 등 여러 분야에서 컴퓨터가 중요한 역할을 합니다. 저는 회사를 창립한 이래로 나아가기 위해 새로운 컴퓨팅 패러다임, 새로운 기술 플랫폼을 개발하는 것이 목표입니다. 이는 디지털 기기의 지속적인 발전을 가능하게 해줄 것입니다. 디자인뿐만 아니라 제작과 시스템 프로토타입 테스트를 위해 공장에 보내고 다양한 응용 프로그램을 위한 시스템 프로토타입을 만드는 것이 중점이 될 것입니다. 이러한 응용 프로그램은 전력 소비를 최소한으로 줄이는 것을 목표로 할 것입니다. 높은 위험과 보상을 가진 문제입니다. 저희가 성공한다면, 이 산업을 변화시킬 것입니다. 이는 이 분야에서의 엄청난 도약일 것입니다. 우리가 띠 가운데로부터 같은 크기의 개연성뿐만 아니라 분해력, 계산 능력 등을 제공하는 실리콘 기반의 반도체 칩에 의존하고 있습니다. 이러한 칩은 전자 기기를 스마트하게 만드는 것입니다. 반도체는 기본적으로 '트랜지스터'라고 불리는 아주 작은 디지털 스위치로 이루어져 있습니다. 스위치는 0 또는 1을 의미하는 '온' 또는 '오프' 상태를 취합니다. 현대의 그래픽 칩은 이러한 트랜지스터를 수십 억 개 이상 포함하고 있는데, 이는 엄지 손톱의 크기랑 비슷한 크기입니다. 그렇다면 이렇게 작은 스위치를 상대적으로 작은 장치에 어떻게 적용할 수 있을까요? 실리콘 웨이퍼 위에 다양한 재료의 층을 쌓아서 작은 회로를 형성할 수 있도록 계속해서 패턴을 형성하는 과정을 거칩니다. 실리콘에는 금속성 나노튜브와 반도체성 나노튜브의 두 가지 종류가 있습니다. 금속성 나노튜브는 구리 와이어처럼 동작하며 활성화할 수 없어 회로가 작동하지 않는 문제가 있습니다. 따라서 우리는 반도체성 나노튜브만 활용하여 나노튜브 전자기기를 만들어야 합니다. 나노튜브 분말에 혼합할 수 있는 분자 및 고분자를 사용하여 나노튜브에서만 분리되거나 다른 재료와 다른 방식으로 결합되도록 할 수 있습니다. 이를 통해 나노튜브를 분리하여 구분할 수 있습니다.

💡 디지털 경제와 자원 소모

디지털 경제가 전 세계 자원에 미치는 영향은 상당한 규모입니다. 예를 들어, 스마트폰이나 컴퓨터를 통한 비디오 스트리밍만으로도 전 세계 탄소 배출량의 1%가 발생한다고 추정되고 있습니다. 또한, 스마트폰, 컴퓨터, 데이터 센터 등 디지털 기기와 활동은 전 세계 전력 사용량의 약 7%를 차지한다고 합니다. 이러한 자원 소모는 점점 더 심해지고 있으며, 우리가 기기에 의존하는 정도가 높아질수록 더욱 악화될 전망입니다. 특히 데이터 센터에서의 자원 소모는 심각한 문제로 꼽히고 있습니다. 데이터 센터는 우리가 생성한 모든 정보를 처리하는 컴퓨터가 가득한 거대한 공장입니다. 그러나 이러한 데이터 센터들은 앞으로 몇 년 내에 훨씬 더 많은 전력을 사용하게 될 것으로 예상되며, 이는 환경 면에서 지속 가능한 상황이라고 볼 수 없습니다. 이에 대한 새로운 해결책과 접근 방식이 필요합니다. 현재 전 세계의 과학자와 스타트업은 저전력 컴퓨터 칩을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 칩은 기존의 디지털 기기를 업그레이드하면서도 환경에 이점을 제공할 수 있습니다. 또한 우리가 사용하는 모든 분야에서 컴퓨터의 성능 향상이 중요한데, 금융부터 화학 공학까지 다양한 분야에서 컴퓨터의 역할은 절대적입니다. 나의 목표는 기업을 창립한 이래로 컴퓨팅 패러다임과 기술 플랫폼을 발전시키는 것입니다. 디자인 뿐만 아니라 제조, 시스템 프로토타입 제작 등에도 주력할 것입니다. 애플리케이션을 위한 제품들은 최소한의 전력 소비를 목표로 할 것입니다. 이는 매우 고위험 고수익성이 있는 문제입니다. 성공한다면 이 산업을 완전히 변혁시킬 것입니다. 탄소 나노튜브는 아주 작은 크기로 만들어진 탄소 원자들로 이루어진 재료입니다. 이렇게 작은 크기의 탄소 원자들로 만든 나노튜브는 이전에 발견된 다른 재료들보다도 전기 전도성이 우수합니다. 탄소 나노튜브를 활용하면 전자의 이동 속도가 실리콘보다 빨라지므로 컴퓨터 칩 역시 더 빠르게 동작할 수 있습니다. 이는 전원 소비량을 줄일 수 있음을 의미합니다. 이론적으로, 탄소 나노튜브는 실리콘보다 1,000배 더 효율적으로 동작할 수 있다고 알려져 있습니다. 또다른 장점은 탄소 나노튜브가 낮은 온도에서도 처리 될 수 있어, 서로 다른 층이 쌓인 나노튜브를 만들 수 있다는 것입니다. 실리콘은 고온에서만 처리할 수 있는 반면, 나노튜브는 비교적 낮은 온도에서도 처리할 수 있어 3D 구조를 형성하기 더 쉽습니다. 1990년대 이후 탄소 나노튜브를 대량 생산하기 위한 다양한 방법들이 개발되었으나, 이 과정에서 금속성과 반도체성 나노튜브의 두 가지 유형이 동시에 생성되는 문제가 발생합니다. 반도체성 나노튜브를 얻기 위해서는 나노튜브 분말을 적절하게 조합하는 과정이 필요합니다. 초기에는 67% 정도의 나노튜브가 반도체성을 가지고 있습니다. 그러나 화학적인 방법을 이용하면 반도체성 나노튜브의 추출 효율을 99.99% 이상으로 높일 수 있습니다. 이렇게 반도체성 나노튜브가 추출된 후에는 실리콘 웨이퍼 상에 정렬되어야 하는데, 이는 컴퓨터 칩으로 변환하기 위해 필요한 과정입니다. 탄소 나노튜브에 대한 열안정성 및 정렬성 개선의 도전이 현재 진행 중입니다. 이러한 과정을 극복하면 산업의 주요 플레이어들이 이 기술에 참여할 수 있으며, 그에 따라 진전은 매우 빠를 것으로 예상됩니다.

🌐 광 통신 기술의 미래

디지털 기기의 성능 향상과 환경 친화적인 기술을 발전시키기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 그 중 한 가지가 광전자 디바이스와 광통신 기술의 활용입니다. 광전자 디바이스와 광통신 기술은 다음과 같은 이점을 제공합니다. 광 케이블을 통해 전송되는 빛을 활용하면 전기 전송에 필요한 에너지 소모가 줄어들며, 빛이 손실되는 정도도 낮아지기 때문입니다. 따라서 빛을 포톤으로 변환하여 전송하는 것이 전력 소모량을 줄이는 데 도움이 됩니다. 빛은 이동하는 속도가 매우 빠르기 때문에 쿼리를 하고 응답을 받는 데 걸리는 시간이 매우 짧습니다. 반면 전기 신호를 이용하는 전자적인 기기에서는 전기 신호의 전환 속도가 한계를 가지고 있으며, 전환하는 데 필요한 에너지 소모도 많습니다. 따라서 광전자 기기를 사용하면 높은 속도로 데이터를 전달하면서도 에너지 소비를 최소화할 수 있습니다. 또한, 광파장을 다양하게 이용하여 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있는 병렬 계산이 가능합니다. 이를 통해 거의 완벽한 와이어를 사용하여 대량 병렬 연산과 통신이 가능합니다. 실리콘 광전자 기술은 이미 상용화되어 있으며, 광전자 칩을 사용하여 챗봇이나 자율주행차와 같은 인공지능 응용 프로그램에 적합한 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 스타트업은 최근 자신들의 광전자 컴퓨터를 출시할 예정입니다. 이들의 제품은 각 칩간에 연결할 수 있는 인터커넥트기능을 제공하여 데이터 센터의 에너지 소비 문제를 해결할 수 있으며, 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 일부 기업들은 이미 광통신에 대한 시도를 하고 있지만, 일상적인 결과를 보여주기 위해서는 아직 많은 발전이 필요합니다.

🤖 뉴로모픽 칩으로 로보틱스 혁신

인간의 두뇌는 매우 효율적입니다. 우리의 두뇌는 연속적으로 동작하며, 10-20 와트의 전력만을 소비합니다. 아주 작은 전력을 소비하면서도 문제를 해결하고 운영할 수 있습니다. 하지만 루빅 큐브를 풀기 위해서는 수천 개의 병렬 프로세서가 필요하며, 이는 최대 1 메가 와트 이상의 전력 소모가 예상됩니다. 다년간 로봇 공학 분야에서 두뇌와 유사한 저전력 칩 개발을 위해 노력해온 연구진들이 있습니다. 인간의 두뇌는 뉴런 세포로 가득 차 있으며, 이들은 전기 신호인 스파이크를 통해 서로 통신합니다. 각 뉴런은 신호를 주고받으면서 분자를 방출하는데, 이 분자들은 전기 신호가 다음 뉴런으로 전달되는 것을 통제합니다. 이러한 통신은 시냅스라고 불리는 간격에서 발생합니다. 로봇이나 기계 학습 시스템을 개발하는 데 있어서 이러한 뉴런과 시냅스의 작동 방식을 모방하여 칩을 설계하고 있습니다. 각 인공 뉴런은 몇 개의 실리콘 트랜지스터로 구성되어 있으며, 다른 뉴런들과 연결되어 있습니다. 우리는 청각 피질을 모방하는 구조를 사용합니다. 청각 피질은 무작위로 연결된 뉴런들로 이루어져 있으며, 언어 처리와 같은 일에 도움이 됩니다. 우리가 하는 것은 순환 연결을 갖는 뉴런들을 사용하여 만든 네트워크입니다. 이러한 네트워크는 시간에 따라 변화하는 데이터를 처리하며, 동시에 여러 개의 데이터를 처리할 수 있습니다. 이는 음성 처리와 같은 시계열 데이터를 처리하는 데 유용합니다. 우리는 아날로그 컴퓨팅을 수행하며, 뉴런들 사이에는 조금의 노이즈가 존재할 수 있어 확률적인 요소가 포함됩니다. 기존의 디지털 기반의 컴퓨팅 방식과는 다른 특징을 가진 아날로그 컴퓨터는 더 복잡한 연산과 기능을 수행할 수 있습니다. 현재 이 기술은 초기 단계에 있으며, 뉴런의 에너지 소모량이 생체 뉴런과 상당히 유사합니다. 사람의 두뇌에 이미 존재하는 뉴런의 수준에 도달하기 위해서는 몇십억 개의 뉴런이 필요하며, 이를 위해서는 단일 뉴런에서 발생하는 소대의 에너지를 최소화해야 합니다. 인텔(Intel)과 같은 대형 칩 제조사들은 다년간인 뉴로모픽 연구에 주력해 왔습니다. 이들은 최근에 발표한 Loihi라는 뉴로모픽 연구 칩을 통해 다양한 응용 분야에서 성공적인 결과를 얻었습니다. 인텔은 루이히 칩을 사용하여 위험한 냄새의 인식 및 감지, 감각적 피드백을 통한 로봇 팔운동을 가능케 하는 등의 다양한 응용 분야에서 테스트하였습니다. 가까운 미래에는 최적화 문제 해결에 뉴로모픽 칩이 가장 적합할 것으로 예상됩니다. 최단 경로 탐색과 같은 최적화 문제를 뉴로모픽 아키텍처를 활용하여 계산 요구 사항을 대폭 줄일 수 있습니다. 이는 10배 이상의 속도 향상과 1000배 이상의 에너지 절약을 가능하게 합니다. 이러한 점을 고려하면 로봇 공학 분야에서 뉴로모픽 칩이 가장 적합하며 가장 큰 혁신의 기회를 가지고 있다고 볼 수 있습니다.