中 칭화대 전자공학과 연구진, 고성능 AI 반도체 개발
美 첨단 반도체 규제에 대응해 반도체 개발 속도 올리는 중
전문가들 "당장 활용 불가능하지만 중국의 기술 추격전 본격화됐다고 봐야"

중국 칭화대가 엔비디아(NVidia)의 기술을 뛰어넘는 고성능 반도체를 개발했다고 밝혔다. 미국이 첨단 반도체 규제를 시행하자 중국의 대체재를 마련하기 위해 반도체 개발 속도를 끌어 올리는 모양새다.

2일(현지시간) 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 중국 칭화대 전자공학과 연구진이 지난달 말 국제 학술지인 네이처에 게재한 논문을 통해 저전력 고성능 인공지능(AI) 반도체를 개발했다고 밝혔다.

칭화대의 '악셀', 연산속도 4.6페타플롭스 기록

칭화대 연구진은 새로 개발한 반도체 '악셀(ACCEL)'의 연산속도가 엔비디아가 양산하고 있는 AI 반도체 A100보다 3,000배 빠른 4.6페타플롭스(PFlops)를 기록했다고 발표했다. 1페타플롭스는 1초에 1,000조 건을 연산 처리할 수 있는 수치다.

연구진은 전력 사용량이 A100보다 400만 배 더 적다는 주장도 함께 내놨다. 연구진에 따르면 광자 기술을 활용해 전력 소모량을 크게 줄였으며, 전기 신호 대신 빛 신호로 정보를 전달해 기존의 반도체들이 기반하고 있는 트랜지스터 대신 초현미경으로 정보를 해석하는 방식을 이용했다. 첨단 반도체 기술이 칩의 크기를 줄이는 경쟁에 사로잡혀 있었으니, 이제 전기 신호 대신 빛 신호로 관점을 바꾸면서 패러다임을 바꾸겠다는 구상이다.

이에 전문가들은 광자 기술을 이용할 경우 전기 에너지를 거의 쓰지 않기 때문에 에너지 효율이 크게 개선될 수 있다고 설명한다. 기존 반도체가 1시간 동안 쓸 전력으로 악셀은 최소 500년을 가동할 수 있다는 것이다. 전력 사용량이 줄어들면 발열량이 감소해 소형화 작업이 훨씬 더 효율적으로 바뀌는 점도 주목할 만한 부분이다. 지난 2018년부터 AMD가 반도체 집적도를 끌어 올리면서 인텔(Intel)사와 코어 확대 및 소형화에 박차를 가하고 있으나, 전기 트랜지스터 기반의 구조상 발열을 피할 수 없었기 때문이다.

당장 엔비디아 반도체 대체는 어려워, 활용 위한 패키지 추가 돼야

다만 전문가들은 광자 기술 기반의 반도체 도전이 계속해서 시도는 되고 있으나, 엔비디아가 지난 10여 년간 준비해 온 하드웨어-소프트웨어 시스템을 전면 대체하기는 어려울 것으로 내다봤다. 엔비디아의 쿠다(CUDA) 프로세서를 기반으로 작동하는 각종 소프트웨어 라이브러리들이 함께 개발됐기 때문에 현재의 엔비디아 중심 AI 반도체 연구가 가속화될 수 있었다는 설명이다.

당장 악셀이 수행 가능한 업무 영역도 고해상도 이미지 인식, 교통 신호 식별 등의 단순한 작업에 국한될 것으로 예상했다. 리눅스(Linux) 기반의 운영체제로 작동하는 스마트폰, PC 등과 호환되는 라이브러리가 없는 만큼, 아직은 극소수의 연구 인력들이 도전적인 과제로 활용할 수 있는 하드웨어에 지나지 않는다는 것이다. 그러면서도 중국의 뛰어난 소프트웨어 개발자들을 정부가 대규모로 동원할 경우엔 단기간에 활용 가능한 라이브러리를 출시할 수도 있어 향후 중국 정부의 대응을 살펴봐야 한다고 역설했다.

한편 칭화대는 학교 홈페이지를 통해 "AI 시대를 위한 새로운 컴퓨팅 아키텍처(시스템 구조체계)를 개발한 것이 최고의 성과"라며 "이 새로운 아키텍처를 다양한 첨단 기술에 적용할 수 있을 것으로 본다"고 강조했다.

광자 기술 기반 반도체 연구의 새로운 장

양승만 KAIST 생명화학공확과 교수에 따르면 광자(光子, photon) 반도체, 혹은 '빛의 반도체'라고 불리는 해당 기술은 빛이 물감처럼 한 가지 색을 내는 것이 아니라 보는 방향에 따라 다른 색을 낼 수 있는 구조를 활용한다. 이를 활용해 특정한 색만을 선택적으로 반사시키는 광자결정을 반도체의 기반으로 삼을 경우, 기존의 0/1 시스템을 확장해 2진법 신호를 16진법 이상으로 확장해서 정보를 전달할 수 있고, 데이터 처리 속도도 대폭 향상될 수 있다.

특히 전자와 달리 광자는 질량이 없기 때문에 회로를 지나면서 마찰 등에 의한 불필요한 정보의 손실이 전혀 생기지 않고, 빛의 속도로 이동하기 때문에 보다 빠른 정보처리가 가능하다. 따라서 빛의 반도체 기술이 확립될 경우 양자 컴퓨터로 확장될 수도 있다는 설명이다.