[디지털투데이 홍진주 기자] 도쿄대 연구진이 발열을 거의 늘리지 않으면서도 정보 처리 속도를 기존 대비 최대 1000배 끌어올릴 수 있는 차세대 반도체 소자를 개발했다. 기존 반도체의 속도·발열 한계를 동시에 넘어설 가능성이 제기되면서 차세대 저전력 컴퓨팅 기술로 주목받고 있다.

18일(현지시간) IT매체 테크레이더에 따르면, 도쿄대 연구진은 전류 대신 전자의 자기적 특성을 활용해 데이터를 기록하는 '비휘발성 양자 스위칭 소자'를 개발했다. 

이번 개발의 핵심은 속도와 발열 문제를 동시에 다뤘다는 점이다. 연구진은 실험에서 이 소자가 1비트 정보를 약 40피코초(ps) 만에 처리했다고 밝혔다. 기존 반도체가 약 1나노초(ns) 수준인 점을 감안하면 처리 속도가 크게 향상된 셈이다. 

발열 문제 역시 줄었다. 기존 칩은 속도를 높일수록 열 발생이 급격히 증가해 성능 한계에 부딪히는 경우가 많았다. 반면 이번 소자는 연속적인 전류 흐름 대신 자기 방향 변화를 이용해 정보를 기록하기 때문에 열 발생을 크게 낮출 수 있다고 연구진은 설명했다.

소자 구조는 탄탈럼과 망가닌 소재 기반으로 이뤄졌다. 전기 신호가 탄탈럼 층을 통과하면 망가닌 내부에 아주 작은 자기 방향 변화가 기록되고, 이 방향 자체가 데이터 비트 역할을 수행한다. 연구진은 이 구조 덕분에 초고속 처리와 저전력 특성을 동시에 확보할 수 있었다고 밝혔다.

내구성에서도 차이가 나타났다. 연구진은 해당 소자가 1000억회 이상의 반복 동작 이후에도 안정적으로 작동했다고 설명했다. 매체는 기존 고속 반도체가 비슷한 환경에서 약 1000만회 수준 이후 과열 문제가 발생할 수 있다고 전했다. 단순한 속도 경쟁이 아니라 장시간 안정성에서도 의미 있는 결과가 나온 셈이다.

소형화 가능성 역시 강점으로 꼽힌다. 연구진은 이 양자 스위칭 소자가 더 작아질수록 성능 향상 효과가 커질 수 있다고 보고 있다. 실제 칩으로 구현될 경우 현재 반도체 대비 전력 소비를 100분의 1 수준까지 줄일 가능성도 제시됐다.

연구진은 이를 바탕으로 미래 활용 사례도 언급했다. 현재 약 8만가구 수준의 전력을 소비하는 대형 데이터센터가 향후 800가구 수준의 전력만으로 운영될 수 있고, 고성능 노트북도 한 번 충전으로 수개월 사용 가능한 수준의 전력 효율 개선이 가능하다는 설명이다. 또 매일 충전이 필요한 맥북 프로가 한 번 충전으로 3개월 작동할 수 있다는 예도 들었다.

다만 상용화까지는 상당한 시간이 필요할 전망이다. 연구진은 이번 성과가 실험실 수준의 원리 입증 단계이며, 실제 대량 생산 가능한 반도체 공정으로 연결하는 것은 별개의 과제라고 밝혔다. 매체는 "물리적 가능성과 제조 가능성은 다르다"며 양산 공정과 자금, 공급망 구축 등이 모두 필요하다고 지적했다.

처리 성능의 잠재력은 크다. 매체는 "현재 1시간 걸리는 데이터 다운로드가 이론적으로 1초 수준의 처리로 이어질 수 있다"고 언급했다. 다만 이런 수치는 어디까지나 이론적 가능성에 가깝고, 현실화까지는 수년간의 공학적 작업이 필요하다고 선을 그었다.

현재 연구진은 2030년 전후 시제품 칩 개발을 목표로 하고 있다. 실제 상용 제품 출시는 그 이후가 될 가능성이 크다. 이에 따라 이번 기술은 당장 시장에 적용되는 수준은 아니지만, 차세대 저전력·초고속 반도체 경쟁에서 중요한 후보 기술 가운데 하나로 평가받고 있다.

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