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계산을 수행할 수 있는 금 나노입자 덩어리 계산을 수행할 수 있는 금 나노입자 덩어리 정대상 기자입력2015-10-01 10:30:31

마이크로칩이 자리를 내 줄 때가 되었다. 보통은 단정하게 배열된 실리콘 패턴의 몫이었던 계산을 불규칙하게 모인 금 나노입자들이 수행할 수 있기 때문이다.

전통적인 컴퓨터는 미리 정해진 규칙에 따라 배열된 회로에 의존하지만, 이 전략은 효율성이 제한된다. “상점에서 구할 수 있는 가장 우수한 마이크로프로세서는 초당 10^11번의 연산을 수행할 수 있으며 수백 와트를 사용한다. 인간의 두뇌는 10배 이상의 계산을 수행할 수 있지만 10~20와트만 사용한다. 그 차이는 크다”고 네덜란드 트벤테대(Wilfred van der Wiel)의 윌프레드 반 데르 비엘(Wilfred van der Wiel)은 말했다. 그러한 차이를 줄이기 위해서, 연구자들은 내부를 의도적으로 특별히 배치하지 않고서도 계산을 수행하는 두뇌와 비슷한 컴퓨터의 제작을 시도했지만, 실제 계산을 신뢰성 있게 수행할 수 있는 재료를 지금까지는 아무도 발견하지 못했다. 그런데 이번에 반 데르 비엘과 동료들이 전통적인 마이크로프로세서가 수행하는 방식과 동일한 방식으로 금 알갱이 덩어리들이 정보 비트들을 처리할 수 있도록 만든 것이다.

연구팀은 약 20나노미터 폭의 금 입자를 사용했다. 그들은 가장 가까운 이웃과 약 1나노미터 정도 떨어져 있는 몇 십 개의 입자들을 울퉁불퉁한 원으로 배치한 뒤, 그 둘레를 8개의 전극으로 둘러쌌다. 계산은 단지 덩어리로  6개의 특정 위치에 적절한 전압만 인가하면 이루어졌다. 그러며 금은 보통의 마이크로칩에 있는 엄격한 연결 순서가 없는 트랜지스터 네트워크를 효과적으로 형성하며, 그 결과 더 적은 에너지를 이용하여 계산을 수행할 수 있다. 하지만 그 입자들로부터는 전압이 어떤 값이어야 하는지를 연구진은 알 수가 없었다. 그들은 전압의 불규칙한 조합들로 연구를 시작했고, 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 어떤 조합이 가장 유용한지를 알아냈다. 유전 알고리즘은 다윈의 진화론(Darwinian evolution)으로부터 아이디어를 차용하여 가장 적합한 조합으로 찾아가는 절차이다. 알고리즘은 많은 수의 전압 집합들을 비교해서 이 덩어리의 특성이 의미가 없어지는 조합은 폐기하고, 가능성이 있어 보이는 약간 다른 변형된 조합을 만든 뒤 다시 시도했다. 사실상, 금 나노입자 덩어리는 연구진이 얻고자 했던 특성을 향해 진화하고 있었다.

개념 증명으로서, 연구진은 이 알고리즘을 통해 금 나노입자 시스템을 전통적인 컴퓨터 칩의 구성단위인 6가지 ‘논리게이트’들 중 임의의 하나로 변형시키는 전압을 발견했다. 심지어는 2비트의 정보를 더할 수 있는 더 높은 차수의 논리장치가 되기 위한 조합도 발견했다. “이러한 결과는 완전히 다른 방법에 의한 계산능력을 우리가 얻을 수 있다는 것을 증명한다”고 반 데르 비엘은 말했다. 입자 덩어리는 절대영도보다 불과 0.3 °C 높은 온도로 냉각되어야만 했지만, 입자들을 더 작게 만든다면 동작온도가 높아질 수 있을 것이다. 이러한 방식이 실온에서 작동하지 않을 이유가 없다고 반 데르 비엘은 말했다.

이번 연구는 차례로 계산을 수행하는 컴퓨터에게는 힘든 패턴인식과 같은 문제를 해결할 수 있는 전문 프로세서 개발에 도움이 될 것이라고 반 데르 비엘은 기대하고 있다. 만약 알갱이 덩어리 전체가 그러한 계산을 수행하고 있다면, 그 알갱이들은 사람의 두뇌에 있는 뉴런들과 매우 비슷하게 병렬적으로 작동하고 있는 것이며, 이러한 작동방식은 그와 같은 임무에 특히 유용하다. 그가 충분히 옳을 수 있다고 캐나다 알베르타대(University of Alberta)의 지에 한(Jie Han)은 말했다. “물리적으로 타당하다. 그러나 아직까지는 그것을 증명해야만 한다”고 그는 말했다. 또 다른 장애물은 더욱 복잡한 계산을 처리할 수 있는 장치를 만드는 것이다. 그러한 장치는 더 많은 나노입자들을 이용하거나 더 많은 전극들을 사용해야 할 것이다. “더 많은 입력과 출력을 갖출 수 있어야 하므로, 아마 전극들이 더 중요할 것”이라고 그는 말했다.

 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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