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2024-11-23 (토)

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엔비디아, 인도 최대 재벌에 차세대 AI 반도체 '블랙웰' 공급

미국 엔비디아는 24일(현지시간) 인도 최대재벌 릴라이언스 인더스트리에 차세대 인공지능(AI) 반도체 '블랙웰'을 공급할 방침이라고 밝혔다. 이날 로이터통신 등 외신들에 따르면 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)가 이날 뭄바이에서 개최된 'AI서미트'에서 릴라이언스의 무케시 암바니 회장과 대담을 갖고 이같은 방침을 밝혔다. 엔비디아의 이같은 방침은 성장중인 인도시장에서 기반을 굳히기 위해 릴라이언스 등 인도기업과의 제휴관계를 강화하는 대응의 일환으로 분석된다. 블랙웰은 릴라이언스가 서부 구자라트 주에 건설중인 소비전력이 1기가와트(GW)의 대형 데이터센터에 탑재된다. 1기가와트 규모의 데이터 센터는 원자력 발전소 1기의 용량과 맞먹는 엄청난 크기다. 1기가와트 규모의 데이터센터는 축구장 140개를 합친 면적인 약 100만㎡에 달하며, 여의도 면적 3븐의 1에 달하는 엄청난 규모다. 양사는 지난해 9월 인도에서 AI 슈퍼컴퓨터를 개발해 인도의 언어로 훈련된 '대규모언어모델(LMM)'을 구축하는 협력계약을 체결했다. 인도에서는 요타 데이터서비시스와 타타 커뮤니케이션스 등 데이터센터 프로파이터가 확장계획을 이끌고 있다. 엔비디아는 이날 이같은 기업들이 건설하는 대형 데이터센터용으로 AI반도체 '호퍼'를 수만개 공급하는 것을 검토하고 있는 사실도 공개했다. 이와 함께 엔비디아는 이날 새로운 힌디어 AI 기반을 발표했다. 인도 IT서비스업체 테크 마힌드라가 처음으로 활용하는 기업이 됐으며 힌디어와 인도 국내에서 사용되고 있는 수십개의 언어를 대상으로 한 '인더스 2.0'으로 불리는 엔비디아제 AI기반을 구축할 계획이다. 엔비디아는 테크 마힌드라 이외에도 인포시스와 위프로 등 IT서비스대기업과 제휴하고 있으며 모두 50만명의 개발자에 대해 엔비디아의 소프트웨어를 사용해 AI가 자율적 판단으로 정보수집과 작업계획 등을 하는 'AI에이전트'의 설계와 실용화 훈련을 벌이고 있다. 황 CEO는 "인도는 앞으로 AI수출국이 될 것이다. 인도에는 AI와 데이터, AI인프라라는 구체적 요소가 있으며 유저 인구도 대규모다"라고 말했다. 게다가 "현재는 엔비디아의 매출액에서 차지하는 인도의 비율이 적지만 우리의 기대는 크다"고 포부를 말했다. 한편, 엔비디아는 20년 전 인도 방갈로르에 첫 사무실을 개설한 이후 꾸준히 투자를 확대해왔다. 현재 인도 내 4개 도시에 개발 센터를 운영하며 4000여 명의 엔지니어를 고용하고 있으며, 이는 미국 본사 다음으로 큰 규모다. 인도 정부 역시 AI 인프라 구축에 12억 달러의 예산을 투입하는 등 적극적인 지원 정책을 펼치고 있어, 인도는 글로벌 AI 시장의 새로운 중심지로 떠오르고 있다. 블랙웰 칩이란? 블랙웰은 엔비디아의 차세대 AI 슈퍼칩으로, 2022년에 발표된 호퍼 아키텍처의 후속작이다. 엄청난 성능 향상과 함께 전력 효율을 높인 것이 가장 큰 특징이다. 2080억 개의 트랜지스터를 탑재하여 이전 세대인 H100보다 데이터 연산 속도가 2.5배 빠르다. H100 36개로 구성된 시스템과 비교했을 때 거대 언어 모델(LLM) 처리 속도가 최대 30배 향상되었다. 10TB/s의 칩 간 상호 연결을 통해 GPU 다이 2개의 성능을 단일 GPU 슈퍼칩에서 제공한다. 또한 향상된 전력 효율로 H100보다 성능이 30배 높으면서도 비용과 에너지 소비는 최대 25배 낮췄다. 대만 TSMC의 4나노미터(nm) 공정으로 제조됐다. 첨단 패키징 기술인 CoWoS를 사용하여 패키징 면적을 줄이고 칩 간 연결성을 높였다. HBM3E(5세대 고대역폭 메모리) 8단 제품이 탑재되어 메모리 대역폭을 획기적으로 늘렸다. 블랙웰은 이러한 뛰어난 특징을 바탕으로 AI 학습 및 추론, 고성능 컴퓨팅, 데이터 분석 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-25
[우주의 속삭임(52)] NASA, 목성 생명체 탐사 위해 유로파 클리퍼 임무 우주선 10월 발사

목성의 생명체 탐사를 위한 나사(NASA)의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 임무 우주선이 오는 10월 발사된다고 스페이스닷컴이 전했다. 이를 위해 현재 목성 위성 주변의 혹독한 방사선 환경을 견딜 수 있는지를 확인하는 테스트가 진행되고 있다. 유로파 클리퍼 우주선은 목성의 얼음 위성인 유로파(Europa)를 연구하는 것을 목표로 한다. 유로파는 지구의 모든 바다를 합친 것보다 두 배나 많은 물을 가진 지하 바다를 품고 있는 것으로 알려져 있다. 카메라, 지상 투과 레이더, 분광기 등 9개의 장비를 탑재한 이 우주선은 유로파를 여러 번 근접 비행하고, 유로파의 얼음 지각 아래 환경을 조사하며 생명체의 흔적을 찾을 계획이다. 우주선은 플로리다에 있는 나사 케네디 우주 센터의 39A 발사장에서 스페이스X(SpaceX) 팰컨 헤비(Falcon Heavy) 로켓에 실려 발사될 예정이다. 나사는 오는 10월 10일이 발사 목표일이라고 발표했다. 나사 관계자는 "유로파 클리퍼의 주요 탐사 목표는 유로파 위성의 표면 아래에 생명체가 살 수 있는 곳이 있는지 확인하는 것"이라고 밝혔다. 관계자는 또 "이 임무의 세 가지 주요 목표는 얼음 표면과 그 아래의 바다의 특성, 유로파 위성의 구성 및 지질을 이해하는 것이다. 유로파에 대한 우주선의 자세한 탐사는 과학자들이 지구 너머에 있는 거주 가능한 세계의 천체생물학적 가능성을 더욱 깊이 이해하는 데 도움이 될 것"이라고 부연했다. 이전에는 목성의 강력한 자기장으로 인해 생성된 높은 방사선 환경에서 우주선이 견딜 수 있는가에 대한 우려가 제기됐다. 이때 탐사선의 전기 흐름을 제어하는 장치인 트랜지스터가 예상보다 낮은 방사선량에서도 고장을 일으킨 바 있다. 10월 발사가 예정된 우주선에 대한 방사선 환경 테스트도 이 때문에 시행되고 있는 것. 나사 관계자는 최근의 테스트에서 우주선의 트랜지스터가 기본 임무를 지원할 수 있음이 확인되었다고 밝혔다. 이번에 발사되는 우주선은 2030년 목성에 도착할 예정이며, 2031~2034년 사이에 유로파를 약 50회 비행할 것으로 예상된다. 한편 나사는 오는 9일 실시될 핵심 검토를 통해 유로파 클리퍼 우주선이 최종 발사 준비에 들어갈 수 있는지의 여부를 판단할 방침이다.
- IT/바이오
2024-09-06
오픈AI 등 글로벌 테크기업, TSMC 1.6나노 공급 쟁탈전…차세대 AI 주도권 노린다

세계 최대 파운드리(반도체 위탁생산) 업체인 대만 TSMC가 오는 2026년 하반기 양산 예정인 1.6㎚(나노미터·10억분의 1m) 반도체칩에 대한 수요가 벌써부터 대기상태에 돌입한 것으로 알려졌다. 3일(현지시간) 대만 연합보에 따르면 애플이 TSMC의 1.6㎚ 공정인 A16 기술을 활용한 첫번째 칩 생산을 예약한 데 이어 '챗GPT' 개발사인 오픈AI도 예약 명단에 이름을 올렸다. A16 기술은 칩 뒷면을 통해 전력을 공급하고 차세대 나노시트 트랜지스터를 탑재해 성능을 높인 것이 특징이다. 최근 수요가 급증하는 인공지능(AI) 칩 고객을 겨냥해 개발됐다. TSMC는 개별 고객사에 관해 언급하지 않는다는 입장이지만, 업계는 오픈AI가 엔비디아에 대한 의존도를 낮추려 주문형 반도체(ASIC) 개발에 적극적으로 나선 만큼 차세대 공정 확보는 자연스러운 수순이라고 보고 있다. 현재 오픈AI는 ASIC 칩 개발을 위해 미국 반도체 설계 기업 브로드컴, 마벨 등과 협력하고 있는데, 브로드컴과 마벨 역시 TSMC의 고객이다. 따라서 오픈AI와 이들 기업이 협력해 개발한 ASIC 칩은 TSMC의 3㎚ 공정과 이후 1.6㎚ 공정에서 순차적으로 생산될 전망이다. TSMC는 지난 4월 앞서 밝힌 2025년 2㎚와 2027년 1.4㎚ 로드맵 중간에 1.6㎚ 공정을 적용하겠다고 깜짝 발표했다. TSMC는 "AI 칩 업체들의 수요로 예상보다 빨리 새로운 A16 칩 제조 프로세스를 개발했다"며 "A16은 칩 뒷면에서 전력을 공급할 수 있어 AI 칩의 속도를 높일 수 있다"고 설명했다. 케빈 장 TSMC 사업개발담당 수석부사장은 당시 구체적인 고객사는 언급하지 않고 "스마트폰 제조업체보다 AI 칩 제조업체가 이 기술(A16)을 가장 먼저 채택할 가능성이 높다"며 "AI 칩 제조 기업들은 칩 설계를 최적화해 그 성능을 극대화하려고 하고 있다"고 말했다. 2년 뒤 예정된 공정에 큰손 고객들이 줄을 서면서 TSMC가 미세공정 경쟁에서 주도권을 쉽게 뺏기지 않을 것이란 평가가 나온다. 삼성전자는 TSMC와 유사하게 내년 2㎚, 2027년 1.4㎚ 공정 양산을 계획하고 있으나, 3㎚ 이하 공정에서 여전히 대형 고객사 수주에 어려움을 겪고 있다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 2분기 TSMC의 세계 파운드리 시장 점유율(매출 기준)은 62.3%, 삼성전자 11.5%, 중국 SMIC 5.7% 순이다. 3년 전 파운드리 사업에 재도전장을 낸 인텔은 당초 올해 말 1.8㎚ 공정을 양산한다는 계획이었으나, 실적 부진으로 파운드리 사업을 축소하거나 분리·매각하는 방안을 검토 중인 것으로 전해졌다.
- IT/바이오
2024-09-03
[신소재 신기술(86)] MIT, 전자 산업 혁신 이끌 초박형 강유전체 트랜지스터 개발

나노초 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있는 혁신적인 초박형 트랜지스터가 개발됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀은 2021년 개발한 강유전체 물질을 사용해 나노초 속도로 스위칭하는 트랜지스터 만들었다고 IT 전문 매체 톰스 하드웨어와 테크 익스플로어 등 다수 외신이 보도했다. 강유전체 물질은 외부 전기장 없이도 스스로 양극(+) 과 음극(-)으로 나뉘어 전기적 분극을 갖는 특별한 물질이다. 외부 전기장을 가하면 분극 영향이 바뀌는 특징이 있으며 이러한 특징을 활용해 정보 저장, 센서, 엑추에이터 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 2021년 MIT 물리학자들이 개발한 새로운 초박형 강유전체는 양극 및 음극 전하가 서로 다른 층으로 분리되는 획기적인 특징을 가지고 있어 컴퓨터 메모리 분야 등 다양한 홯용 가능성이 제시된 바 있다. 최근 동일 연구팀은 해당 소재를 활용해 초박형 트랜지스터를 제작하고, 기존 전자기기 산업을 변화시킬 수 있는 혁신적인 특성을 입증했다. MIT 연구팀은 강유전체 소재 트랜지스터가 전자공학에 혁명을 일으킬 수 있다고 말했다. 연구팀은 실험실에서 단일 트랜지스터를 기반으로 연구를 진행했지만, 해당 트랜지스터가 현재 생산되는 강유전체 트랜지스터의 산업 표준을 여러 측면에서 충족하거나 능가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 연구를 주도한 파블로 자릴로-헤레러 MIT 물리학 교수는 "이번 연구는 기초 과학이 응용 분야에 매우 중대한 영향을 미칠 수 있는 극적인 사례 중 하나"라고 강조했다. 새로운 트랜지스터는 1나노초(10억분의 1초) 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있을 정도로 매우 빠른 속도를 자랑하며, 1000억회 이상 스위칭 후에도 성능 저하 없이 작동할만큼 내구성이 뛰어나다. 또한 10억분의 1미터 두께로 세계에서 가장 얇은 소재 중 하나다. 이는 컴퓨터 메모리 용량을 크게 늘리고 에너지 효율성을 향상 시킬 수 있음을 시사한다. 현재 트랜지스터 기술은 수백나노초 단위로 상태를 전환한다. 연구팀은 붕소 질화물(BN) 원자층을 평행으로 쌓아 새로운 강유전체를 개발했다. 외부 전기장을 가하면 층이 미세하게 이동하며 붕소 및 질소 원자의 위치가 바뀌고, 이러한 슬라이딩 현상을 통해 전자기적 특성이 급격하게 변화한다. 개발된 새로운 트랜지스터는 기존 플래시 메모리와 달리 반복적 쓰기 및 삭제 과정에서도 성능 저하가 없다는 점에서 혁신적이다. 연구팀은 앞으로 대량 생산 기술 개발 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 이번 연구 결과가 미래 전자기기 산업에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-30
삼성전자, '종합 반도체' 강점 앞세워 파운드리 생태계 확장…TSMC 추격 가속화

삼성전자가 파운드리(반도체 위탁 생산) 생태계 확장을 위해 다양한 파트너사와 협력을 강화하고 있다. 파운드리 후발주자인 삼성전자는 종합 반도체 회사의 강점을 살려 생태계를 키워 세계 파운드리 1위인 대만 TSMC 추격에 속도를 낸다는 전략이다. 삼성전자는 9일 서울 강남구 코엑스에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 및 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 포럼 2024'에서 종합 반도체 기업으로서의 강점을 살려 디자인 솔루션, 설계자산(IP), 설계 자동화 툴(EDA), 테스트 및 패키징(OSAT) 등 다양한 분야의 100여 개 파트너사와 협력하며 파운드리 생태계를 구축하고 있다고 밝혔다. 특히 EDA 파트너사 수는 경쟁사인 TSMC를 넘어섰으며, 5300개 이상의 IP를 확보하는 등 빠른 속도로 성장하고 있다. 공정별 핵심 IP를 모두 보유하고 있으며, 파트너사들과 지속적으로 협력해 포트폴리오는 계속 성장 중이라는 게 회사 측 설명이다. 삼성전자 파운드리는 글로벌 EDA 기업인 시높시스, 케이던스 등 IP 파트너와 선제적이고 장기적인 파트너십을 구축하며 IP 개발에 노력 중이다. 그 결과 2017년 파운드리사업부 출범 당시 14곳이던 IP 파트너는 현재 3.6배인 50곳으로 늘어났다. 삼성전자는 2나노 반도체 설계를 위한 IP 확보 계획을 발표하고, 고성능컴퓨팅(HPC) 및 인공지능(AI) 분야의 폭발적인 수요 증가에 대응하여 디자인 서비스 업체(DSP)와의 협력을 강화하고 있다. 국내 DSP 업체와의 협력을 통해 턴키 솔루션을 제공하며, 한국 팹리스 기업들의 HPC 및 AI 시장 진출을 지원하고 있다. DSP 업체들은 팹리스가 설계한 반도체를 파운드리가 제조할 수 있게 돕는 회로 분석, 설계오류 수정, 설계 최적화 등 디자인 서비스를 제공한다. 고객들은 DSP와 같은 지역에 있으면 신속하고 밀접한 서비스를 받는 등 파운드리 이용 편의가 높아진다. 이번 파운드리 포럼에서 삼성전자는 국내 DSP 업체 가온칩스와 협력해 일본 프리퍼드 네트웍스(PFN)의 AI 가속기 반도체를 수주한 성과를 소개했다. 삼성전자는 PFN의 AI 가속기 반도체를 2나노 공정을 기반으로 양산하고 2.5D 패키지 기술까지 모두 제공하는 턴키 반도체 솔루션을 수주한 것. 기존 패키지가 단순히 칩을 외부와 전기적으로 연결하고 보호하는 역할이었다면, 최근에는 패키지의 역할이 칩으로 구현하기 어려운 부분의 보완으로까지 확대되는 양상이다. 이에 삼성전자는 기술적 한계를 넘어서기 위해 2.5D 및 3D 패키지 기술 등 새로운 융복합 패키지 개발에 주력하고 있다. 특히 삼성전자는 파운드리만 하는 TSMC와 달리 파운드리를 품은 종합 반도체 기업으로서 강점을 파운드리 생태계 구축을 부각하고 있다. AI 시대를 맞아 고객의 AI 아이디어 구현을 위해 파운드리 기술은 물론 메모리, 패키지 분야와의 협력을 통해 시너지를 창출하는 차별화 전략을 강조하고 있다. 고성능·저전력 반도체에 최적화한 차세대 트랜지스터 GAA(Gate-All-Around) 공정 기술, 적은 전력으로도 고속 데이터처리가 가능한 광학소자 기술 등을 활용한 '원스톱 AI 솔루션'을 내세웠다. 통합 솔루션을 활용하는 팹리스 고객은 파운드리, 메모리, 패키지 업체를 각각 사용할 때보다 칩 개발부터 생산에 걸리는 시간을 약 20% 단축할 수 있다는 게 삼성전자의 설명이다. 삼성전자는 2022년 6월 세계 최초로 GAA 구조를 적용한 3나노 양산을 시작했다. 올해 하반기에는 2세대 3나노 공정 양산에 돌입할 예정이다. TSMC는 GAA보다 한 단계 아래 기술로 평가받는 기존 핀펫(FinFET) 트랜지스터 구조를 3나노에 활용 중이며, 2나노 공정부터 GAA를 적용한다는 계획이다. 최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장은 이날 파운드리 포럼 기조연설에서 "삼성전자는 국내 팹리스 고객과의 긴밀한 협력을 위해 첨단 공정뿐만 아니라 AI, 고성능 저전력 반도체, 고감도 센서 등 다양한 분야의 특화된 공정 기술을 지원하고 있다"며, "AI 시대에 발맞춰 고객에게 최적화된 맞춤형 AI 솔루션을 제공하여 차별화된 가치를 창출해 나갈 것"이라고 강조했다.
- IT/바이오
2024-07-09
[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생

과학자들이 질화갈륨(GaN)과 금속 마그네슘(Mg)을 가열해서 초격자가 형성되는 것을 발견했다. 일본 나고야 대학 연구팀은 질화갈륨과 마그네숨 간의 열 반응을 통해 톡특한 조격자 구조가 형성되는 것을 실험 과정 중에 우연히 발견했다고 PHYS가 보도했다. 이는 벌크 반도체에 2차원 금속층이 삽입되는 현상이 최초로 확인된 사례이다. 초격자는 인공적으로 만들어진 주기적인 구조를 가진 물질로, 고성능 트랜지스터, 레이저 다이오드, 광검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 연구팀은 최첨단 분석 기술을 통해 물질을 정밀하게 관찰해 반도체 도핑 및 탄성 변형 공학에 대한 새로운 통찰력을 얻었으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 질화갈륨(GaN)은 높은 전력 밀도와 빠른 작동 주파수를 요구하는 분야에서 기존 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대되는 광대역 갭 반도체 물질이다. GaN의 이러한 특징은 LED레이저 다이오드, 전력 전자 장치(전기 자동차 및 고속 충전기의 핵심 부품 포함) 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다. GaN 기반 장치의 성능 향상은 에너지 절약 사회 실현과 탄소 중립 미래를 실현하는 데 기여할 수 있다. 반도체에는 p형 및 n형이라는 두 가지 필수적이고 상호 보완적인 전기 전도 유형이 존재한다. p형 반도체는 주로 양전하를 운반하는 자유 캐리어인 정공을 특징으로 하며, n형 반도체는 자유 전자를 통해 전기를 전도한다. 반도체는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형 전도성을 획득한다. 도핑은 순수 반도체 물질에 특정 불순물(도펀트)을 의도적으로 도입하여 전기적 및 광학적 특성을 크게 변화시키는 것을 의미한다. GaN 반도체 분야에서 p형 전도성을 생성하는 것으로 알려진 유일한 원소는 Mg이다. 그러나 Mg 도핑의 성공 이후 35년이나 지났음에도 불구하고, GaN에서 Mg 도핑의 전체 메커니즘, 특히 Mg의 용해도 한계 및 분리 거동은 여전히 명확하지 않다. 이러한 불확실성은 광전자 및 전자 분야에서의 최적화를 제한한다. 이 연구의 제1 저자인 지아 왕과 그의 동료들은 p형 GaN의 전도도를 개선하기 위해 GaN 웨이퍼에 증착된 금속 Mg 박막을 패턴화하고 고온에서 가열하는 어닐링이라는 기존 공정을 수행하는 실험을 진행했다. '어닐링(Annealing)'은 금속이나 유리 등의 재료를 가열한 후 천천히 식혀 내부 응집력을 제거하고 재료의 성질을 변화시키는 열처리 과정을 말한다. 금속을 가열하고 천천히 식히면 재료의 결정 구조를 변화시켜 강도, 경도, 내식성 등의 특징을 개선할 수 있다. 왕 연구원은 "GaN은 이온 결합과 공유 결합이 혼합된 광대역 갭 반도체이고 Mg는 금속 결합을 특징으로 하는 금속이지만, 이 두 이질적인 물질은 동일한 결정 구조를 가지고 있으며 육각형 GaN과 육각형 Mg의 격자 차이가 무시할 정도로 적다는 것은 놀랍도록 자연스러운 우연"이라고 말했다. 이어 "우리는 GaN과 Mg사이의 완벽한 격자 일치가 구조를 만드는 데 필요한 에너지를 크게 줄여 이러한 초격자의 자발적인 형성에 중요한 역할을 한다고 생각한다"라고 설명했다. 연구팀은 최첨단 전자 현미경 이미징을 사용해 GaN 및 Mg 층이 번갈아 나타나는 초격자의 자발적인 형성을 관찰했다. GaN과 Mg는 물리적 특성이 크게 다른 물질이므로 이처럼 초격자가 자발적으로 형성된 것은 매우 특이한 현상이다. 연구팀은 이 독특한 삽입 거동을 '틈새 삽입(interstitial intercalation)'이라고 명명하고, 이것이 모재에 압축 변형을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 특히 Mg 층이 삽입된 GaN은 20GPa 이상의 높은 응력을 견뎌냈다. 이는 대기압의 20만배에 해당하며, 박막 물질에서 기록된 가장 높은 압축 변형이다. 이는 실리콘 필름에서 일반적으로 발견되는 압축 응력(0.1~2GPa)보다 훨씬 크다. 전자 박막은 이러한 변형으로 인해 전자 및 자기 특성에 상당한 변화를 겪을 수 있다. 연구팀은 변형된 방향을 따라 정공 수송을 통한 GaN의 전기 전도도가 크게 향상되었음을 발견했다. 한편, 이 연구는 'GaN 기술의 요람'으로 알려진 나고야 대학에서 이루어졌다는 데 의미가 있다. 이번 연구의 교신 저자인 아마노 히로시와 나고야 대학의 아카사키 이사무는 1980년대 후반에 Mg가 도핑된 GaN을 사용해 최초의 청색 LED를 개발했다. 이들의 공헌은 2014년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 이번 연구에서는 2차원 Mg 도핑의 새로운 메커니즘을 밝혀냄으로써 III-질화물 반도체 연구 분야의 잠재적으로 새로운 길을 열 것으로 기대된다. 왕 연구원은 "마그네슘이 삽입된 GaN 초격자 구조의 발견과 2D-Mg 도핑의 새로운 메커니즘 규명은 질화 3족 반도체 연구 분야의 선구적인 업적을 기릴 수 있는 어렵게 얻은 기회"라고 말했다. 노벨상 수상 후 10년 만에 Mg 도핑의 기술을 발전시킨 왕 연구원은 "이 시기적절한 발견이 이 분야의 새로운 길을 열고 더 많은 기초 연구에 영감을 줄 수 있는 '자연의 진정한 선물'"이라고 밝혔다. 이 연구에는 나고야 대학에서 지아 왕, 카이 웬타오, 순 루, 에미 카노, 비랩 사르카, 와타나베 히로타카, 이카라시 노부유키, 혼다 요시오, 아마노 히로시 등이 참여했다. 외에도 메이지 대학교의 연구진과 오사카 대학교의 나카지마 마코토 교수가 이끄는 광학 그룹이 이 연구의 다른 공저자로 참여했다.
- 포커스온
2024-06-14
미국, GAA 최첨단 반도체기술 이용제한 강화 검토

미국, 중국 반도체 규제, GAA
- IT/바이오
2024-06-12
[신소재 신기술(33)] 원자 1개 두께의 이상한 형태의 금

스웨덴 과학자들은 단일 원자층으로 구성된 아주 얇은 박막의 금 소재를 개발했다. 이 새로운 물질은 '골덴'이라고 명명되었으며 반도체 특성을 지니고 있다. 과학 전문매체 사이언스 얼럿은 스웨덴 린쇼핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 금을 더 이상 얇아질 수 없는 원자 1개 두께의 납작한 박막 시트 형태로 만들어내는 새로운 방법을 개발했다며 지난 16일(현지시간) 이같이 보도했다. 재료 과학의 명명 관습에 따라 연구팀은 이 새로운 2차원 물질에 '골덴(goldene)'이라는 이름을 붙였다. 골덴은 3차원 형태의 금에서는 볼 수 없는 몇 가지 흥미로운 특성을 가지고 있다. 스웨덴 린쇼핑 대학교의 재료 과학자 슌 카시와야는 "그래핀처럼 물질을 매우 얇게 만들면 놀라운 일이 일어난다"며 "금도 마찬가지다. 아시다시피 금은 보통 금속이지만, 단일 원자층 두께로 만들면 금이 반도체가 될 수 있다"라고 설명했다. 금은 서로 뭉치는 경향이 있기 때문에 2차원 구조로 동축하는 것은 매우 어렵다. 이전의 시도는 몇 원자 두께의 얇은 시트를 만들거나 다른 물질 사이에 또는 그 위에 단층을 끼워 분리할 수 없는 결과를 낳았다. 카시와야와 연구팀은 금을 만들려고 시작한 것이 아니라 우연히 공정의 첫 단계를 발견하게 됐다고 전했다. 린쇼핑 대학교의 나노 공학 분야의 연구를 이끌고 있는 재료 물리학자 라르스 튈트만(Lars Hultman)은 "우리는 완전히 다른 응용 분야를 염두에 두고 기본 재료를 만들었다"면서 "우리는 실리콘이 얇은 층으로 이루어진 티타늄 실리콘 카바이드라는 전기 전도성 세라믹으로 시작했다. 그런 다음 이 소재를 금으로 코팅해 접촉을 만드는 것이 아이디어였다. 하지만 부품을 고온에 노출시켰을 때 실리콘 층이 기본 재료 내부의 금으로 대체됐다"라고 설명했다. 튈트만 교수는 금속 나노구조의 합성 및 특성 연구에 선구자적인 역할을 했다. 특히, 금속 나노입자, 나노선, 나노막 등 다양한 금속 나노구조를 합성하고, 그들의 광학적, 전기적, 촉매적 특성을 연구해 다양한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 재료를 개발하는 데 기여했다. 앞서 연구팀은 단층 금을 만들려는 시도에서 중요한 단계에서 한계에 도달해 연구 과정이 중단됐다. 몇 년 동안 연구팀이 만든 인터칼레이티드 티타늄 금 카바이드는 티타늄과 탄소 층 사이에 있는 초박막 금 층을 추출할 방법이 없어 그냥 그 상태로 남아있었다. 이에 연구팀은 무라카미 시약이라는 에칭 용액에 기반한 기술을 사용해 지난 연구의 한계를 돌파했다. 무라카미 시약은 금속 가공에 사용되는 화학 물질의 혼합물로, 탄소를 에칭하고 강철을 얼룩지게 하여 일부 일본 칼에서 볼 수 있는 무늬를 만들어낸다. 연구팀은 혼합물의 농도와 에칭 공정이 금을 둘러싼 티타늄과 탄소를 부식시키는 시간대를 다르게 시도했다. 무라카미 시약의 에칭 효과는 페로시아나이드 칼륨이라는 부산물을 생성한다. 이 화합물은 빛에 노출되면 시안화물을 방출하여 금을 녹이기 때문에 연구팀은 에칭 공정을 완전히 어둠 속에서 진행해야 했다. 게다가 얇은 금 시트는 말리거나 뭉치는 경향이 있었다. 이에 연구팀은 층이 접히거나 달라붙는 것을 방지하는 계면활성제를 추가해 금의 단일 원자층의 무결성을 유지했다. 연구팀은 이론적 시뮬레이션에서 예측한 대로 이 까다로운 단계를 거쳐 마침내 안정적인 금을 형성하는 데 성공했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 신티시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다. 일반적으로 금은 우수한 전기 전도성 물질이다. 원소가 2차원 시트 형태를 취할 때 원자는 두 개의 자유 결합을 가지며 도체와 절연체 사이의 전도 특성을 가진 반도체로 변모한다. 이는 전도도를 조절할 수 있기 때문에 유용하다. 다시 말하면, 전기 전도성이 우수하고 부식에 강한 금은 반도체 소자의 접점, 연결 부품, 패키징 등에 사용된다. 금은 나노 크기의 입자로 제조될 수 있으며, 이러한 금 나노 입자는 차세대 반도체 소자의 제작에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자는 트랜지스터의 게이트 전극, 메모리 소자의 저장 매질, 광전자 소자의 광 감지 소자 등으로 사용될 수 있다. 게다가 금은 생체 적합성이 우수하고 전기 전도성이 높기 때문에 생체 의료 분야에서 사용되는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 심장 박동기 리드, 인공 근육 등의 전극 소재로 활용될 수 있다. 그러나 금은 높은 비용과 가공의 어려움, 제한된 반도체 특성 등의 단점도 존재한다. 금은 반도체 특성이 제한적이기 때문에 고성능 트랜지스터 제작에는 적합하지 않다.
- 포커스온
2024-04-18
반도체 칩 실장하는 기판도 전기 변화에 반응…소재 연구 획기적 전기 마련

컴퓨터 칩 설계에서 크게 고려되지 않는 재료가 실제 정보 처리에서는 중요한 역할을 하며, 이는 더 빠르고 효율적인 디바이스로 이어질 수 있다는 연구 결과가 나와 주목된다고 기술 전문지 테크익스플로어가 전했다. 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끈 국제 연구팀은 반도체 칩을 실장하는 기판이 기판에 꽂히는 반도체 칩과 마찬가지로 전기 변화에 반응한다는 사실을 발견했다. 연구팀이 분석에 적용한 것은 고급 이미징 기술과 반도체 재료인 이산화바나듐이었다. 이산화바나듐은 바나듐과 산소가 1대 2 배율로 결합된 산화물 반도체 재료로, 전자 스위치로서 큰 가능성을 보여주었다. 팀은 또 이산화바나듐이 기판을 구성하는 물질인 이산화티타늄과 어떻게 상호작용하는지를 분석했는데, 그 결과는 놀라운 것이었다. 반도체가 전기가 흐르지 않게 하는 절연체와 전기가 흐르게 하는 금속 사이로 전환할 때 기판이 반도체 칩과 유사한 동작을 보여, 기판 자체에도 활성층이 있을 가능성이 높다는 사실을 발견한 것. 연구 책임자 펜실베이니아 대학 벤카트라만 고팔란 교수는 "기판이 반도체 공정에서 적극적인 역할을 할 수 있다는 사실은 미래의 재료와 장치를 설계하는 데 매우 중요하다"고 말했다. 이 연구 결과는 '어드밴스트머티리얼즈'에 실렸다. 고팔란은 "무어의 법칙을 극복하기 위해서는 더 작고 빠른 디바이스에 대한 새로운 아이디어가 필요하다"며 "주목되는 아이디어는 1조분의 1초 안에 금속(디지털 신호 1의 상태)과 절연체(0의 상태) 사이를 전환할 수 있는 이산화바나듐과 같은 물질이다"라고 설명했다. 금속-절연체 트랜지스터로서의 이산화바나듐의 가능성은 이미 밝혀졌으며, 이 물질은 에너지 소비가 특히 적어 반도체 기술에 유망하다. 그러나 이산화바나듐의 특성은 아직 완전히 풀리지 않았으며, 지금까지는 실제 디바이스에서 작동하기 보다는 격리된 상태에서 관찰하는 것이 일반적이었다. 이산화바나듐은 전자 효과와 밀접한 상관관계가 있다. 전자 사이의 반발력이 디바이스를 방해하기 때문에 현재의 실리콘계 디바이스에서 발생하는 것처럼 무시할 수 없다. 이런 특성 때문에 고온 초전도 및 강화된 자기 특성과 같은 새로운 기능의 재료를 만들 수 있다. 고팔란은 "이산화바나듐의 근본적인 물리적 성질은 아직 충분히 이해되지 않았으며 디바이스의 기하학적 구조에서의 성능도 마찬가지"라고 말했다. 그는 "만약 우리가 이산화바나듐을 제대로 동작시킬 수만 있다면, 전자공학의 르네상스가 일어날 것이다. 특히 신경망 컴퓨터인 뉴로모픽 컴퓨팅은 이 디바이스를 사용함으로써 엄청난 성과를 거둘 수 있다"고 강조했다. 연구팀은 이산화바나듐을 디바이스에 전압을 가하여 절연 상태에서 전도성 상태로 전환하는 과정에서의 변화를 조사했다. 이를 위해 강력한 X선 빔을 주사할 수 있는 아르곤 국립연구소의 첨단 광자원(APS: Advanced Photon Source)를 사용했다. 절연-전도성 전환에 대한 재료의 공간적, 시간적 반응을 매핑하면서 연구팀은 기판의 구조에 대한 예상치 못한 변화가 일어난 것을 관찰했다. 이산화바나듐 필름이 금속으로 변하면서 전체 필름 채널이 부풀어 오른 것. 일반적으로는 축소되어야 했는데, 반대 현상이 일어나 필름 구조에서 뭔가 다른 일이 벌어지고 있었던 것이다. APS X선은 이산화바나듐 필름을 통과하여 전기적, 기계적으로 수동적 물질인 이산화티타늄 기판에서 박막을 성장시켰다. 기판은 전기 펄스를 받아 이산화바나듐 필름이 절연체에서 금속으로 전환될 때 매우 활동적이고 완전히 새로운 방식으로 움직이고 반응했다. 펜실베이니아 대학 수학 및 공학팀은 이에 대한 이론 정립을 위해 시뮬레이션과 함게 이론적인 프레임워크도 개발했다. 연구진은 과거 수동적으로 반도체 칩만 실장하는 용도로 사용됐던 이산화티타늄 기판에서 아직 발견되지 않은 잠재적인 현상을 포함해 이산화바나듐의 숨겨진 기능을 파악하는 데도 큰 도움이 될 것이라고 기대했다. 이 연구는 10년에 걸쳐 진행됐는데, 앞으로도 추가 연구와 분석을 진행할 계획이다.
- IT/바이오
2024-04-08
엔비디아, 차세대 AI칩 'B200' 3만달러 이상 예상

인공지능(AI) 반도체 기업 엔비디아가 공개한 차세대 AI 칩 '블랙웰B200'의 가격이 3만~4만달러가 될 것으로 예상된다. 19일(이하 현지시간) 로이터통신 등 외신들에 따르면 엔비디아 젠슨 황 최고책임자(CEO)는 이같이 밝혔다. 그는 또 블랙웰 플랫폼의 연구개발 예산이 약 100억 달러였다는 점도 공개했다. 엔비디아는 지난 18일 미국 캘리포니아 새너제이 SAP 센터에서 개막된 개발자 콘퍼런스 'GTC(GPU Technology Conference) 2024'에서 AI칩 블랙웰B200을 내놓았다. 올해 행사에선 900개 세션과 250개 이상의 전시, 수십 개의 기술 워크숍 등이 진행됐다. B200은 두 개의 다이(TSMC 4NP 공정에서 생산)와 8개의 24기가바이트(GB) HBM3E로 구성돼 있다. 다이와 HBM3E 연결을 위해 TSMC 칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트(CoWoS)-S 기술이 적용됐다. 엔비디아는 B200에 대해 2080억개의 트랜지스터가 탑재된 역사상 가장 강력한 칩이라고 소개했다. 엔비디아는 챗봇으로부터의 답변을 제공하는 작업에서는 30배 빠르지만 챗봇을 훈련하기 위해 방대한 양의 데이터를 처리할 때의 성능에 대해서는 구체적인 세부사항을 밝히지 않았다. 젠슨 황 엔비디아 CEO 신제품에 대해 "블랙웰B200 GPU는 이 새로운 산업 혁명을 구동하는 엔진"이라고 설명했다. 이어 "세계에서 가장 역동적인 기업들과 협력해 모든 산업에서 AI의 가능성을 실현할 것"이라고 말했다. '블랙웰'은 흑인으로는 최초로 미국국립과학원에 입회한 '데이비드 헤롤드 블랙웰'을 기리기 위해 붙여진 이름이다.
- IT/바이오
2024-03-20
삼성전자, Arm과 최첨단 반도체 만든다…'GAA' 경쟁력↑

삼성전자가 영국 반도체 설계업체 Arm(암)과 손잡고 게이트올어라운드(GAA·Gate All Around) 공정 기반 최첨단 반도체를 만든다. 삼성전자 파운드리 사업부는 21일 GAA 기반 최첨단 공정에 Arm의 차세대 시스템온칩(SoC) IP을 최적화해 양사 협력을 강화한다고 밝혔다. 삼성전자는 Arm의 설계 자산(IP)을 GAA 공정에 심어 3나노 이하 선단 공정 경쟁력에서 치고 나가며 '파운드리의 봄'을 앞당긴다는 계획이다. '게이트올어라운드(GAA)'는 반도체 기술에서 사용되는 고급 형태의 트랜지스터 디자인이다. 이 기술은 트랜지스터의 게이트가 반도체 채널을 모든 방향으로 감싸는 형태로 디자인되어 있어서 이름이 붙여졌다. GAA 기술은 기존의 3차원 트랜지스터 디자인인 FinFET(Fin Field Effect Transistor)과 비교하면 채널을 둘러싸는 게이트의 구조를 더욱 효율적으로 설계함으로써 더 나은 전기적 특성을 제공한다. 이는 더 높은 성능, 낮은 전력 소비, 더 높은 집적도 등의 장점을 가질 수도 있다. GAA기술은 현재 주로 최첨단 반도체 기술인 3나노미터(3nm) 공정 기술에서 사용되고 있으며, 이를 통해 더욱 높은 성능과 효율성을 갖춘 칩을 개발할 수 있다. 삼성전자는 이번 협력을 통해 팹리스 기업의 최첨단 GAA 공정에 대한 접근성을 높이고, 차세대 제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 최소화할 계획이다. GAA는 초미세공정 반도체 생산에 필요한 신기술로, 데이터 처리 속도 및 전력 효율을 높일 수 있다. 삼성전자는 설계 기술 최적화로 향후 팹리스 고객들에게 최선단 GAA 공정 기반 초고성능, 초저전력 Cortex-CPU(중앙처리장치)를 선보일 방침이다. 삼성전자는 Arm과의 협력으로 팹리스 기업들에게 적기에 제품을 제공할 것으로 기대한다. 이를 위해 우수한 PPA(소비전력·성능·면적)를 구현하는 방안에 초점을 맞춘다. 양사는 이와 관련, 협력 초기부터 설계와 제조 최적화를 동시에 처리하는 DTCO(Design-Technology Co-Optimization)를 채택해 Arm의 최신 설계와 삼성전자의 GAA 공정의 PPA 개선 효과를 극대화했다. 양사간 협업으로 팹리스 고객들은 생성형 AI 시대에 맞춘 SoC 제품 개발 과정에서 Arm의 최신형 CPU 접근이 쉬워진다. 앞으로 양사는 차세대 데이터센터 및 인프라 맞춤형 반도체를 위한 2나노 GAA와 미래 생성형 AI 모바일 컴퓨팅 시장을 겨냥한 AI 칩렛 솔루션을 순차적으로 선보일 방침이다. 시장조사업체 옴디아는 미세공정인 5나노 이하의 매출이 연평균 34.4% 성장할 것으로 전망했다. 2023년 230.1억 달러에서 2026년 558.5억 달러로 급증할 것으로 보인다. 계종욱 삼성전자 파운드리 사업부 부사장은 "양사 고객들에게 생성형 AI 시대에 걸맞은 혁신을 지원하게 됐다"고 말했다. 크리스 버기 Arm 부사장 겸 총괄 매니저는 "삼성의 GAA 공정으로 Cortex-X와 Cortex-A 프로세서 최적화를 구현해 양사는 모바일 컴퓨팅의 미래를 재정립할 것"이라고 말했다. 한편, 일본의 소프트뱅크가 지분을 소유하고 있는 영국 반도체 설계 기업 Arm은 실제 반도체를 직접 제조하지 않는다. 대신, 설계한 프로세서 아키텍처와 기술을 다른 기업들에 라이선스 형태로 제공한다. 이들 기업은 이를 바탕으로 실제 칩을 제조한다. Arm 프로세서는 에너지 효율이 뛰어나기로 알려져 있다. 이러한 특성 덕분에 배터리를 사용하는 모바일 장치에 많이 사용된다.
- IT/바이오
2024-02-21
[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대

미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
- 포커스온
2024-02-01
이스라엘, 32억 달러 투자로 인텔 칩 공장 유치 성공

세계적인 반도체 기업 인텔이 하마스와 전쟁 중인 이스라엘에 250억달러(약 32조5000억원)를 투자해 새 공장을 짓기로 합의했다고 이스라엘 정부가 26일(현지시간) 밝혔다. IT 전문매체 인터레스팅엔지니어링과 연합뉴스가 전한 로이터통신 등 외신에 따르면 이스라엘 재무부와 경제부, 국세청은 공동 성명을 통해 인텔과 이런 내용의 투자 약정을 맺었다고 발표했다. 로이터 통신에 따르면 이스라엘 정부는 이스라엘 역사상 최대 규모의 기업 투자를 유치하기 위해 32억 달러를 투자할 예정이다. 이 지원금은 이스라엘에서 인텔의 기존 입지를 강화하고 보다 탄력적인 글로벌 공급망을 구축하는 데 기여할 것으로 전망된다. 인텔의 전략적 확장 성명에 따르면 인텔의 칩 제조 공장 확장 계획은 중부 키르얏 갓 지역에 초점을 맞추고 있다. 인텔은 2028년에 공장 가동을 목표로 한다. 이러한 움직임은 글로벌 공급망을 강화하려는 인텔의 전략에서 중요한 요소로 강조되고 있다. 인텔은 팻 겔싱어 CEO의 지휘 아래 AMD, 엔비디아, 삼성과 같은 업계 라이벌과 경쟁하기 위해 전 세계적으로 수십억 달러를 전략적으로 투자해 왔다. 이스라엘 투자청의 부청장 오피르 요세피는 인텔이 더 낮은 세율 대신 더 높은 보조금과 세율을 선택했다고 밝혔다. 이 과정에는 경제적 실행 가능성을 보장하기 위해 수개월에 걸친 검토와 독립적인 분석이 포함됐다. 인텔은 이제 이스라엘의 일반 세율인 23% 보다 더 낮은 7.5%의 법인세율을 납부하게 된다. 인텔의 다니엘 베나타르 부사장은 이스라엘의 반도체 기술과 인재가 지속적으로 두각을 나타내고 있다며, 이스라엘 정부의 지원이 이러한 글로벌 입지를 유지하는 데 중요한 역할을 할 것이라고 강조했다. 또한, 인텔은 이번 지원금 외에도 향후 10년 동안 이스라엘 공급업체로부터 166억 달러(약 21조 5053억원) 상당의 상품과 서비스를 구매하기로 약속했다. 이 새로운 시설은 수천 개의 일자리를 창출하여 지역 경제에 더 많은 기여를 할 것으로 예상된다. 베잘렐 스모트리히 이스라엘 재무부 장관은 "글로벌 기업 인텔이 이스라엘에 이전에 없던 큰 규모의 투자를 승인한 것은 매우 중요하다"라며 "이스라엘이 현재 악과 전쟁 중인 시기에 이런 투자를 선택한 것은 이스라엘과 이스라엘 경제에 대한 신뢰를 반영하는 것"이라고 밝혔다. 앞서 베냐민 네타냐후 이스라엘 총리는 지난 6월 인텔의 투자 소식을 처음으로 공개하며 이를 역대 최대 규모의 외국 투자로 의미 부여했다. 인텔의 이번 공정 설립 확정으로 이스라엘을 위한 혁신적인 투자로 확고히 자리매김했다. 인텔, 이스라엘과 50년 협력관계 인텔은 50년 가까이 이스라엘에 투자한 기업으로, 현지에서는 고용 규모가 가장 크며 최대 수출 기업 중 하나로 꼽힌다. 1974년 이스라엘에 진출한 인텔은 현재 이스라엘에서 4개의 개발 및 생산 공장을 운영하고 있다. Fab 28로 알려진 이번 키르얏 갓 제조 공장은 인텔 7 기술을 생산하며, 약 1만2000명의 직간접 고용을 통해 4만2000개의 일자리를 추가로 지원하고 있다. 인텔의 이스라엘 수출은 전체 하이테크 수출의 5.5%를 차지하며, 여기에는 센트리노 칩 및 코어 프로세서와 같은 상징적인 기술이 포함된다. '인텔 7 기술(Intel 7 technology)'은 인텔이 개발한 고성능 반도체 제조 기술을 가리키는 용어다. 이 기술은 인텔의 최신 반도체 제조 공정 중 하나로, 고급 마이크로프로세서 및 칩 제품을 생산하기 위해 사용된다. 즉, 인텔 7 기술은 최첨단 공정 기술로 미세한 트랜지스터와 전자 회로를 제조하는 데 쓰인다. 이러한 공정은 반도체 칩의 성능을 향상시키고 전력 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 이를 통해 더 높은 처리 속도와 더 낮은 전력 소비를 가진 컴퓨팅 기기를 제조할 수 있게 된다. 업계에서는 인텔의 막대한 지원금과 이스라엘 내 칩 공장의 전략적 확장은 반도체 산업에서 중대한 변곡점이며, 지역 경제에 광범위한 영향을 미칠 것이라고 전망했다.
- IT/바이오
2023-12-27
양자컴퓨터, 실용화까지 '멀고 험난한 길'

"양자컴퓨터의 성능은 과장됐고, 실용화는 아직 요원하다"는 지적이 나왔다. 일본 기술 전문 매체 기가진에 따르면 일본의 양자컴퓨터의 성능과 실용화 가능성에 대한 과장된 기대감이 있으며, 실제 실용화까지는 여전히 멀고 험난한 길이 남아 있다는 지적이 제기됐다. 마이크로소프트와 인텔을 포함한 여러 기업들이 양자 역학의 원리를 활용한 양자 컴퓨터 개발에 박차를 가하고 있다. 이들 기업은 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 계산을 수행할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그러나 일부 전문가들은 양자 컴퓨터의 실현이 대중적인 예상보다 훨씬 더 미래의 일이 될 수 있다고 경고하고 있다. 양자 컴퓨터는 소립자의 세계에서 발견되는 '중첩'과 '양자 얽힘' 등의 특성을 활용하여, 기존 컴퓨터로는 불가능한 처리를 수행할 수 있다고 여겨진다. 이는 금융 모델링, 물류 최적화, 머신러닝 가속화 등 다양한 실제 문제 해결에 응용될 수 있는 잠재력을 지니고 있어 주목받고 있다. 그러나 이러한 가능성에도 불구하고, 양자컴퓨터의 실용화에는 아직 많은 연구와 개발이 필요한 상황이다. 양자 컴퓨터를 개발하고 있는 IBM과 같은 일부 회사는 양자 컴퓨터가 몇 년 안에 실제 문제에 영향을 미칠 것이라는 낙관적인 전망을 제시하고 있다. 하지만 이와 동시에 일부 전문가들은 양자 컴퓨팅 기술이 현실적인 적용에 회의적인 입장을 보이고 있다. 메타의 AI 연구 책임자인 양루쿤은 양자 컴퓨팅 기술에 대해 "매력적인 과학적 주제이지만 실제로 유용한 양자 컴퓨터를 생산할 가능성에 대해 확신하기 어렵다"고 말했다. 이는 양자 컴퓨터의 실용화에 대한 기대와 불확실성을 동시에 나타내는 발언으로 해석될 수 있다. 아마존웹서비스(AWS)의 양자 하드웨어 책임자인 오스카 페인터는 양자 컴퓨터 산업에 대해 "엄청난 양의 과대 광고가 존재한다. 현재 상황에서 낙관적인 접근과 비현실적인 기대를 구분하기가 점점 어려워지고 있다"고 지적했다. 이는 양자컴퓨터 분야의 빠른 발전과 그에 따른 과대 광고의 증가가 업계 내에서 어떻게 인식되고 있는지를 보여준다. 결과적으로, 양자 컴퓨터 개발은 과학과 기술의 빠른 발전 속에서도 여전히 현실과 기대 사이의 간극을 좁히는 데 어려움을 겪고 있는 분야로 여겨진다. 현재 양자컴퓨터 개발의 근본적인 문제 중 하나는 오류 발생의 취약성이다. 대다수의 현재 개발 중인 양자컴퓨터들은 '노이즈(잡음)가 있는 중간 규모 양자 컴퓨터'(NISQ)로 분류되며, 이들은 몇 년에서 수십 년 내에 개발될 것으로 예상된다. 일부 전문가들은 이러한 컴퓨터들이 오류에도 불구하고 유용한 기능을 제공할 수 있을 것으로 보고 있다. 그러나 오스카 페인터 박사는 이러한 가능성에 대해 회의적인 입장을 보이며, 실용적인 양자 컴퓨터의 실현은 오류 처리 능력에 달려있다고 강조했다. 아울러 페인터 박사는 또한 "수천 개의 큐비트를 갖춘 대규모 양자 컴퓨터 구현을 위해서는 아직 해결해야 할 기술적 과제가 많다"며 "개발 완료까지 최소 10년이 소요될 것으로 예상한다"고 말했다. 양자컴퓨터의 발전과 관련하여, 마이크로소프트의 양자 컴퓨팅 부문 책임자인 마티아스 트로이어(Matthias Troyer)는 양자 컴퓨터가 실제로 유용한 결과를 제공할 수 있는 애플리케이션의 범위가 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 제한적일 수 있다고 지적했다. 이러한 견해는 양자 컴퓨터의 실용적인 적용과 관련하여 여전히 많은 도전과제가 존재한다는 것을 시사한다. 양자컴퓨터는 복잡한 문제를 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그로 인해 양자 컴퓨터는 암호 해독, 물질과 분자의 구조 예측, 최적화 문제 등 기존 컴퓨터로는 해결하기 어려운 복잡한 문제들을 효과적으로 처리할 수 있다. 또 분자와 화학 반응을 시뮬레이션하는 데 양자 컴퓨터가 사용될 경우, 약물 개발과 재료 과학 분야에서 혁신적인 발전을 이룰 수 있다. 현재 양자컴퓨터는 오류률이 높은 편이다. 양자 상태는 매우 불안정하며 외부 환경의 영향을 쉽게 받기 때문에, 정확한 계산을 위한 오류 수정이 어렵다. 아울러 양자컴퓨터는 극도로 낮은 온도에서 작동해야 하며, 이를 위한 복잡하고 비용이 많이 드는 냉각 시스템이 필요하다. 또한 양자컴퓨터를 위한 프로그래밍 언어와 알고리즘은 전통적인 컴퓨터 시스템과는 매우 다르다. 이로 인해 새로운 종류의 전문 지식과 기술이 필요하다. 그로 인해 현재로서는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 우월한 실용적인 성능을 보이는 분야가 제한적이다. 양자 우위를 달성하려면 아직 많은 연구와 개발이 필요하다. 트로이어에 따르면, 양자 컴퓨팅이 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 것으로 알려진 응용 프로그램에는 '큰 숫자의 인수분해'와 '제약 설계 및 유체 역학 시뮬레이션' 등이 포함된다. 그러나 이러한 응용 프로그램의 가속화가 항상 효과적인 것은 아니며, 경우에 따라 기존 컴퓨터가 더 빠를 수도 있다고 한다. 트로이어는 양자컴퓨터가 복잡한 연산 과정을 수행함에 따라 큐비트의 연산이 매우 복잡해지며, 이는 기존 컴퓨터의 '트랜지스터 스위칭' 속도보다 느릴 수 있다고 설명했다. 실제로, 그는 '엔비디아(NVIDIA) A100'을 사용하는 컴퓨터와 10,000 큐비트를 탑재한 양자 컴퓨터의 성능을 비교하는 이론적 실험을 수행했다. 그 결과 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터의 성능을 능가하기 위해서는 수백 년 또는 수천 년에 걸친 연구가 필요할 것으로 나타났다. 이러한 분석을 바탕으로, 트로이어는 "양자컴퓨터는 소규모 데이터 문제에서 기하급수적으로 빨라질 수 있지만, 현재의 양자 컴퓨터는 실용적이지 않다"고 지적했다. 이는 양자컴퓨터 개발의 현실적인 한계를 드러내며, 향후 연구와 개발이 직면한 도전과제를 보여주는 중요한 지표로 여겨진다. 스타트업 퀀텀에라(QuEra)의 최고 마케팅 책임자인 유발 보시어(Yuval Bossier)에 따르면, 회사의 큐비트 개발을 포함한 양자 컴퓨팅 분야는 현재 많은 변화를 겪고 있다. 보시에는 "일부 기업들이 양자 컴퓨팅 연구에서 AI 연구로 리소스를 전환하고 있다"고 말했다. 이는 양자 컴퓨팅 분야에 대한 투자와 관심이 AI 분야로 이동하는 현상을 반영한 것으로 보인다. 보시에는 또한 양자 컴퓨팅에 대한 과대 광고가 많은 재능 있는 사람들을 분야로 끌어들였지만, 현재 양자 컴퓨터가 세계의 다양한 문제를 해결하기 어렵다는 사실이 밝혀지면서 실망감을 불러일으키고 있다고 지적했다. 그 결과, 많은 연구자들이 이 분야를 떠나고 있다는 것이다. 이러한 현상은 양자 컴퓨팅 기술의 발전과 실용화에 대한 과도한 기대가 현실과 맞닥뜨리면서 생기는 문제로, 연구자들과 투자자들 사이에서 재평가가 필요한 시점임을 시사한다. 양자 컴퓨팅의 발전은 여전히 중요하지만, 그 기대치와 현실 사이의 균형을 찾는 것이 중요해 보인다. 독일의 유명 제약회사 '머크 KGaA'의 디지털 혁신 그룹 글로벌 책임자 필립 헤르바흐(Philip Herbach)는 양자 컴퓨터에 대해 현실적인 견해를 제시했다. 그는 "양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있을 것으로 기대되지만, 실제로는 새로운 지평을 여는 것보다는 기존 프로세스의 속도를 개선하는 데 더 자주 사용된다"고 언급했다. 이는 양자 컴퓨터의 실질적인 활용 가능성에 대한 보다 현실적인 평가를 나타낸다. 마이크로소프트의 마티아스 트로이어도 양자컴퓨터에 대한 회의론적인 견해를 표명했다. 그는 "이 분야에 대한 관심을 줄이려는 것이 아니라, 연구자들이 양자 컴퓨팅의 가장 유망한 응용 분야에 자원을 집중할 수 있도록 하기 위함"이라고 말했다. 트로이어의 이러한 발언은 양자 컴퓨팅 분야의 연구와 개발이 실질적인 결과를 낳기 위해서는 목표와 방향성을 명확히 하는 것이 중요함을 시사한다. 이러한 전문가들의 견해는 양자 컴퓨팅 기술의 미래가 여전히 불확실성을 내포하고 있으며, 실용화를 향한 길이 단순하지 않음을 보여준다.
- IT/바이오
2023-12-26
독일 뮌헨 공대, 기존 AI 칩보다 두 배 강력한 AI 칩 개발

기존 인공지능(AI) 칩보다 두 배 더 강력한 AI 칩이 독일에서 개발됐다. 독일 뮌헨 공과대학교(TUM)의 AI 프로세서 설계 전문가 후삼 아므루흐(Hussam Amrouch) 교수 연구팀은 기존의 인메모리 컴퓨팅 접근 방식보다 두 배 더 강력한 AI 칩을 개발했다고 과학 전문매체인 싸이테크 데일리(scitechdaily)가 최근 보도했다. 이 새로운 AI 칩은 트랜지스터가 계산과 데이터 저장을 동시에 수행하는 혁신적인 방식으로 설계됐다. 기존의 AI 칩과 달리, 계산과 데이터 저장이 분리되지 않고 통합되어 있어 효율성이 크게 향상됐다. 예를 들어, 딥 러닝 알고리즘을 실행할 때 계산 후 결과를 별도의 메모리에 저장하는 대신, 이 과정이 통합되어 속도와 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있다. 또한 이 칩의 트랜지스터 크기는 28나노미터로, 기존 CMOS 칩의 트랜지스터 크기(10-20나노미터)보다 약간 크다. 이는 더 많은 정보를 저장할 수 있는 용량 증가로 이어져 결과적으로 기존의 AI 칩들보다 더 많은 데이터를 처리할 수 있다. 이 칩은 또한 초당 885 TOPS(테라 연산 스테핑)의 놀라운 성능을 달성한다. TOPS는 초당 10의 12승 회전을 의미하므로, 이 AI 칩은 초당 885조 회전의 연산을 수행할 수 있다. 이는 삼성전자의 MRAM 칩 등 유사한 AI 칩들보다 두 배 이상 강력한 성능을 자랑한다. 삼성의 MRAM은 자기저항 랜덤 액세스 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory)의 약자로, 전류를 흐르게 하거나 차단하는 통해 데이터를 저장하는 형태의 메모리로, 트랜지스터가 계산과 데이터 저장을 동시에 수행하는 방식으로 설계되어 있다. 이 새로운 AI 칩은 삼성의 MRAM 칩과 유사한 설계 방식을 따르되, 트랜지스터 크기를 28나노미터로 줄이고 구조를 최적화하여 성능과 효율성을 향상시켰다. 이러한 발전은 AI 칩 기술의 새로운 가능성을 열어주며, 딥 러닝, 생성형 AI, 로봇 공학 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 예를 들어, 이 칩을 활용하면 딥 러닝 알고리즘의 실행 시간을 단축하고, 우주 탐사에서의 물체 감지 정확도를 높이며, 드론 비행의 안정성을 강화할 수 있다. 이 AI 칩은 현재 초기 개발 단계에 있으나, 연구팀은 3년에서 5년 내에 실용적인 제품으로의 출시를 기대하고 있다. 제품화를 위해서는 업계의 안전 요구 사항을 만족시키고, 다양한 분야의 전문가들과의 협력이 필요할 것으로 보인다. 후삼 아므루흐 교수는 "이 새로운 AI 칩은 인메모리 컴퓨팅의 새로운 시대를 열 것으로 기대된다"며 "이 기술은 다양한 분야에서 AI의 잠재력을 더욱 극대화할 수 있을 것"이라고 말했다.
- IT/바이오
2023-11-24
인도, 초소형 슈퍼커패시터 개발⋯에너지 저장 분야 혁신 기대

인도에서 개발된 초소형 슈퍼커패시터(콘덴서)가 에너지 저장 분야에서의 혁신을 예고했다. 과학기술 전문매체 '사이테크 데일리(SciTechDaily)'는 최근 인도 과학 연구소(Indian Institute of Science, IISc)의 응용 물리학부 연구진이 기존의 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 밀도가 높은 초소형 슈퍼커패시터를 개발했다고 보도했다. 화학 분야 학술지 'ACS 에너지 레터(Energy Letters)'에 게재된 최근의 연구에서, 연구원들은 전통적인 커패시터에서 사용되는 금속 전극을 대체하여, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)를 전하 수집기로 활용해 슈퍼커패시터를 제작했다. 이 연구를 주도한 교신 저자인 아바 미스라(Abha Misra) IAP의 교수는 "FET를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 것은 커패시터의 전하 조정 방식에 있어 혁신적인 접근이다"라고 언급했다. 현재 사용되는 커패시터들은 주로 금속 산화물 기반의 전극을 사용하지만, 이는 전자 이동성이 낮다는 한계를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 미스라 박사 팀은 전자 이동성을 개선하고자 이황화몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 몇 원자 두께로 번갈아 가며 금 접점에 연결한 하이브리드 FET를 개발하기로 결정했다. 이들은 두 FET 전극 사이에 고체 젤 전해질을 적용하여 고체 상태의 슈퍼커패시터를 구축했다. 이 전체 구조는 이산화규소와 실리콘 베이스 위에 구축됐다. 미스라 박사는 "두 시스템을 통합하는 것이 설계의 핵심이다"라고 언급했다. 이 두 시스템은 서로 다른 전하 용량을 가진 두 개의 FET 전극과 이온성 매질인 젤 전해질로 구성된다. IAP의 박사 과정 학생이자 연구의 수석 저자 중 한 명인 비노드 판와르(Vinod PanWar)는 트랜지스터의 모든 이상적인 특성을 구현하기 위한 장치 제작이 어려웠다고 말했다. 이 초소형 슈퍼 커패시터는 매우 작아 현미경 없이는 볼 수 없으며, 제작 과정에서는 높은 정밀도와 뛰어난 손기술이 필요하다. 현미경으로 관찰 가능 크기와 무게 면에서 기존 슈퍼커패시터를 능가하는 이 초소형 슈퍼커패시터는 배터리를 대체할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고 있다. 연구팀은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 이황화 몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 통합해 특정 조건에서 전기 용량이 3000% 이상 증가하는 결과를 얻었다. 슈퍼커패시터(콘덴서)는 특히 전기 용량의 성능을 강화하여, 전지처럼 사용할 수 있도록 설계된 부품이다. 전자 회로에서 사용되는 이 커패시터는 전기적으로 충전지와 유사한 기능을 제공한다. 기본적인 원리는 '전력을 저장하여 필요에 따라 방출하는 것'이며, 전자 회로가 안정적으로 작동하도록 하는 데 필수적인 부품 중 하나이다. 초소형 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 조밀한 구조를 가진다는 장점이 있다. 이러한 특성은 거리의 가로등부터 전자제품, 전기 자동차, 의료 기기에 이르기까지 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 기회를 제공한다. 현재 이러한 대부분의 장치는 배터리로 작동한다. 하지만 배터리는 시간이 지나면서 전기 저장 능력이 감소하여 제한된 수명을 갖게 된다. 반면, 커패시터는 설계 특성상 훨씬 오래 전기를 저장할 수 있는 장점이 있다. 슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 장점을 결합하여 대량의 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 장치로, 차세대 전자기기에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다. 이번 연구는 초소형 슈퍼커패시터의 가능성을 보여주는 중요한 성과로 평가된다. 향후 연구가 성공적으로 진행된다면, 초소형 슈퍼커패시터는 기존의 배터리를 대체하여 다양한 전자 기기의 성능과 수명을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다. 한국, 초소형 슈퍼커패시터 개발 현황 한편, 한국에서도 슈퍼커패시터 관련 연구와 개발을 진행하는 업체가 다수 있다. 에스피지(주)는 고체 전해질 기반의 슈퍼커패시터와 FET를 이용한 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 포스코케미칼(주)는 그래핀 기반의 초소형 슈퍼커패시터를, LG화학(주)는 전기 자동차용 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 한국의 슈퍼커패시터 기술은 세계 수준에 도달하고 있다. 이를 바탕으로 국내 업체들이 초소형 슈퍼커패시터 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 초소형 슈퍼커패시터는 다양한 전자 기기에 적용 가능한 높은 잠재력을 가지고 있다. 특히 전기 자동차, 스마트 워치, IoT 기기 등에서 기존의 배터리를 대체할 수 있는 새로운 솔루션으로 기대를 모으고 있다. 전기 자동차의 경우, 초소형 슈퍼커패시터를 사용하면 배터리의 용량을 줄일 수 있고, 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 스마트 워치나 IoT 기기에서의 사용은 배터리 수명을 연장할 수 있다. 초소형 슈퍼커패시터 기술의 지속적인 개발과 상용화가 진행된다면, 에너지 저장 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2023-11-06
AI 에너지 효율성 100배 개선⋯클라우드 의존 없는 실시간 나노전자소자 개발

노스웨스턴 대학교 엔지니어들은 가장 에너지 효율적인 방식으로 정확한 머신러닝 분류 작업을 수행할 수 있는 새로운 나노 전자 장치를 개발했다. 12일(현지시간) 미국 매체 노스웨스턴나우(northwestern now)에 따르면 기존 기술보다 100배 적은 에너지를 사용하는 방식으로 실시간으로 인공지능(AI) 작업을 수행할 수 있다. 이 장치의 가장 큰 특징은 클라우드를 이용하지 않고도 대용량 데이터를 실시간으로 처리하고 분석할 수 있는 점이다. 따라서 설치 공간이 협소하고 전력 소비가 적은 웨어러블 기기, 예를 들어 스마트 시계나 피트니스 트래커에 적용하기에 이상적이다. 연구 팀은 이 새로운 나노전자소자의 성능을 확인하기 위해 심전도(ECG) 데이터를 활용해 불규칙한 심장 박동인 부정맥을 진단하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 이 장치는 다양한 부정맥 유형을 거의 95%의 높은 정확도로 판별할 수 있었다. 이번 연구 결과는 공학과 의학 분야에서 큰 파장을 일으킬 것으로 보이며, 관련 논문은 12일 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 저널에 게재됐다. '개인화된 서포트 벡터 머신 분류를 위한 재구성 가능한 혼합 커널 이종 접합 트랜지스터'라는 제목의 이 연구는 미국 에너지부, 국립과학재단, 육군 연구소의 지원을 받아 진행됐다. 이 연구의 선임 저자인 노스웨스턴의 마크 허삼(Mark C. Hersam) 박사는 "오늘날 대부분의 센서는 데이터를 수집한 다음 클라우드로 전송하고, 분석은 에너지 소모가 많은 서버에서 수행된 후 최종적으로 사용자에게 결과를 전송한다"며 "이 접근 방식은 엄청나게 비싸고 상당한 에너지를 소비하며 시간이 많이 걸린다"고 성명했다. 이어 "우리 장치는 에너지 효율이 매우 높아 웨어러블 전자기기에 직접 배치하여 실시간 감지 및 데이터 처리를 할 수 있으므로 건강 응급상황에 보다 신속하게 개입할 수 있다"고 말했다. 나노기술 전문가로 유명한 허삼 박사는 노스웨스턴 맥코믹 공과대학에서 월터 머피 재료과학 및 공학 교수로 활약하고 있다. 또한 재료 과학 및 공학과 학과장, 재료 연구 과학 및 공학 센터 소장, 그리고 국제 나노기술연구소 회원 등 왕성한 역할을 하고 있다. 허삼 박사는 이번 연구를 서던캘리포니아 대학교의 한 왕(Han Wang) 교수, 노스웨스턴 대학교의 비노드 상완(Vinod Sangwan) 연구 조교수와 공동으로 주도했다. 머신러닝 툴은 신규 데이터를 분석하기 전에, 먼저 학습 데이터를 다양한 카테고리에 정확하게 분류하는 과정을 거쳐야 한다. 예를 들어, 사진을 색상별로 분류하는 도구의 경우, 빨간색이나 노란색, 파란색 등 각 사진의 색상을 정확히 식별할 수 있어야 한다. 이러한 작업은 인간에게는 간단하지만, 기계에게는 상당한 에너지를 소모하는 복잡한 작업이다. 현재 실리콘 기반 기술로 심전도와 같은 대규모 데이터 세트를 분류하려면 100개 이상의 트랜지스터를 필요로 한다.이러한 각각의 트랜지스터는 작동과정에서 에너지를 소비한다. 하지만 노스웨스턴의 나노 전자 장치는 단 두 개의 장치로 동일한 머신러닝 분류를 수행할 수 있다. 연구진은 디바이스 수를 줄임으로써 전력 소비를 획기적으로 줄이고 표준 웨어러블 기기에 적용 가능한 훨씬 더 작은 크기의 디바이스를 개발했다. 이 새로운 디바이스의 비결은 다양한 소재를 혼합하여 전례 없는 조정성을 구현한 것이다. 기존 기술은 실리콘을 사용하지만 연구진은 2차원 이황화몰리브덴과 1차원 탄소 나노튜브로 소형화된 트랜지스터를 제작했다. 따라서 데이터 처리 단계마다 하나씩 많은 실리콘 트랜지스터가 필요한 대신, 재구성 가능한 트랜지스터는 다양한 단계 간에 전환할 수 있을 만큼 동적이다. 이번 새로운 디바이스의 성공 비결은 다양한 소재의 혼합과 창의적인 조절 능력에 있다. 기존에는 실리콘을 주로 사용했으나, 이번 연구에서는 2차원 이황화몰리브덴과 1차원 탄소 나노튜브를 활용하여 소형화된 트랜지스터를 구현했다. 이러한 혁신적 접근 방법 덕분에, 각 데이터 처리 단계에 여러 개의 실리콘 트랜지스터를 사용하는 것이 아니라, 하나의 재구성 가능한 트랜지스터만으로도 다양한 단계를 동적으로 전환할 수 있게 되었다. 허삼 박사는 이에 대해 "두 가지 서로 다른 재료를 하나의 디바이스에 통합함으로써, 전류 흐름을 강력하게 조절할 수 있는 동적 재구성이 가능하다"며 "이런 방식으로 단일 디바이스에서도 높은 수준의 조절이 가능해져, 작은 공간과 적은 에너지만을 소비하면서도 정교한 분류 알고리즘 실행이 가능하다"고 덧붙였다. 연구진은 장치를 테스트하기 위해 공개적으로 사용가능한 의료 데이터 세트를 찾았다. 먼저 심전도 데이터를 해석하도록 디바이스를 훈련시켰는데, 이는 일반적으로 숙련된 의료진이 상당한 시간을 들여야 하는 작업이다. 그런 다음 장치에 정상, 심방 조기 박동, 심실 조기 수축, 속도 박동, 왼쪽 다발 분기 블록 박동, 오른쪽 다발 분기 블록 박동 등 6가지 유형의 심장 박동을 분류하도록 요청했다. 연구팀은 장치의 성능을 테스트하기 위해 공개적으로 접근 가능한 의료 데이터 세트를 활용했다. 첫 단계에서 연구팀은 디바이스를 훈련시켜 심전도 데이터를 해석할 수 있도록 하였는데, 이는 일반적으로 전문 의료인력이 상당한 시간을 투입해야 해결할 수 있는 문제였다. 연구팀은 이어서 장치에게 정상 심장 박동, 심방 조기 박동, 심실 조기 수축, 속도 박동, 왼쪽 번치 가지 블록, 오른쪽 번치 가지 블록 등 총 6가지 유형의 심장 박동 패턴을 구분하도록 요청했다. 이렇게 개발된 나노전자 장치는 1만 개의 심전도 샘플을 분석하며 각각의 부정맥 유형을 정확하게 식별할 수 있었다. 또한, 이 장치는 데이터를 클라우드로 전송할 필요가 없어, 환자의 소중한 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 환자의 개인 정보 보호도 가능하다. 허삼 박사는 "데이터가 전송될 때마다 도난당할 위험이 증가한다"고 주장했다. 그는 "개인 건강 정보가 손목 시계와 같은 웨어러블 장치에서 로컬로 처리될 경우, 정보의 도난 위험이 크게 감소한다"고 덧붙였다. 그러면서 이런 방법으로 이 장치가 개인 정보의 보호를 강화하고 정보 유출의 위험을 줄일 것이라고 강조했다. 그는 이러한 나노전자 장치가 향후 웨어러블 기기에 통합되어, 각 사용자의 건강 상태에 맞춰 개인화되며 실시간 애플리케이션에 적용될 것으로 전망했다. 이를 통해 사용자들은 추가적인 전력 소모 없이도 기존에 수집된 데이터를 최적화하여 활용할 수 있을 것으로 보인다고 말했다. 허삼 박사는 "AI 도구들이 전력 소비의 큰 부분을 차지하고 있는 상황"이라며 "현재의 컴퓨터 하드웨어에 계속 의존하는 것은 지속 가능하지 않다"라고 경고했다.
- IT/바이오
2023-10-14