Top
검색버튼 메뉴버튼

Future Wave

DNA를 마이크로칩으로 쓰면…

박근태 | 49호 (2010년 1월 Issue 2)
정보기술(IT)이 발전하면서 마이크로칩에 대한 수요도 크게 늘었다. 개인용컴퓨터(PC)는 물론 휴대전화, 차량용 내비게이션까지 생활 속에서 마이크로칩을 사용하지 않은 곳은 거의 없다. 1975년 인텔 설립자인 고든 무어는 집적 회로의 메모리 용량이 2년마다 2배씩 커질 것이라는 예측을 내놨다. 실제로 그 후 기술이 발전하면서 그의 예측대로 마이크로칩의 집적도와 성능은 계속 올라갔다.
 
하지만 반도체 기술은 얼마 안 가 성장의 한계에 부딪혔다. 실리콘 반도체로는 저장 용량이나 성능을 높이는 데 한계에 도달한 것. 과학자들은 기발한 아이디어로 더 작고 빠르며 값싼 컴퓨터칩을 만드는 방법을 찾고 있다. 무어의 꿈을 이어나가기 위한 고군분투가 시작된 것이다.
 
실제로 분자 1개를 트랜지스터처럼 사용하고 빛을 정보 단위로 사용하는 방법이 고려되고 있다. 전자의 자기적 성질을 이용해 정보량을 2배 이상 늘린 스핀 전자 공학이라는 새 학문도 주목을 끌고 있다. DNA의 염기 서열로 멀티태스킹이 가능한 슈퍼컴퓨터를 만드는, 종전 개념을 뒤흔드는 방안도 실험실에서 걸어 나오고 있다. 언젠가 이들 기술이 실용화될 때 우리 생활 패턴도 지금과는 크게 달라져 있을지 모른다.
 
분자 1개로 만든 트랜지스터 등장
광주과학기술원 이탁희 교수 팀은 지난 12월 영국에서 발행하는 국제학술지 <네이처>에 독특한 방식의 신개념 트랜지스터를 선보였다. 이 교수가 개발한 트랜지스터는 일명 ‘분자 트랜지스터’. 벤젠 분자 하나로 트랜지스터 스위치를 구현한 것이다. 트랜지스터는 전류나 전압을 켜고 끄거나 증폭하는 역할을 하는 등 마이크로칩에서 핵심 기능을 한다. 보통은 반도체를 3겹으로 겹쳐 만든다. 하지만 이 교수가 만든 분자 트랜지스터는 벤젠 분자 1개만을 이용해 전자를 통과하게 하거나 멈추게 한다. 벤젠 분자 중 한쪽에 전압을 가하면 다른 두 쪽에 연결된 단자에 전기가 흐르는 원리. 따라서 전기가 흐를 때를 ‘1’, 흐르지 않을 때를 ‘0’으로 간주하면 종전 트랜지스터처럼 전자 회로에 사용되는 스위치로 사용할 수 있다. 기존 트랜지스터에 비해 소모되는 전류도 1000분의 1 수준이다.
 

 
미국 예일대와 라이스대 과학자들도 벤젠 분자를 이용해 분자 스위치를 만드는 연구를 한창 진행하고 있다. 분자 트랜지스터를 이용하면 종전보다 더 값싸고 빠른 마이크로칩을 만들 수 있다.
 
이 교수 팀의 연구는 과학계에서 불고 있는 신개념 소자 기술의 개발 열풍을 대변하고 있다. 실제 흔들림이 없을 것만 같던 ‘무어의 법칙’은 최근 10년 위협 받기 시작했다. 무어의 예견대로 IT 제품들은 지난 35년간 더 작아지고 빨라졌다. 공정 기술이 발전하면서 제조비용도 떨어졌다. 하지만 트랜지스터가 원자 10개 정도로 작아지면서 제조비용은 다시 급격히 올라가기 시작했다. 게다가 회로의 집적도가 올라가면서 다량의 열이 발생하는 등 칩 성능에 문제가 생기기 시작했다.
 
물론 컴퓨터 1대에 마이크로프로세서 2개를 넣은 듀얼코어 컴퓨터가 등장하는 등 컴퓨터 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법이 나오기도 했다. 하지만 이는 컴퓨터 성능을 계속해서 높일 본질적인 대안이 되지는 못한다. 무어의 법칙은 사형 선고를 받은 것처럼 보였다. 과학자들도 종전 개념을 뛰어넘은 신개념 설계 기술과 나노 물질을 통해 해결책을 찾기 시작했다.
 
크기, 열, 속도 문제를 해결하는 것이 관건이었다. 현재 상용화된 트랜지스터 중 가장 작은 것은 약 32nm정도 폭을 갖고 있다. 실리콘 원자 약 96개를 층층이 쌓은 것과 같은 두께다. 기업들은 현재 반도체를 만드는 ‘리소그래피’ 공정으로는 22nm보다 작은 트랜지스터를 만들기 어려울 것으로 보고 있다.
 
‘크로스바(Crossbar)’는 더는 줄이기 힘든 트랜지스터의 한계를 극복하기 위해 개발됐다. 기존 전자 회로는 교통 정체를 빚고 있는 고속도로의 차선을 매운 차량처럼 트랜지스터가 배열돼 있다. 하지만 크로스바 기술은 서로 이웃한 차선에 우회 도로를 만들 듯 수직으로 나노선을 교차시킨다. 나노선이 서로 교차된 부분을 멤리스터라고 부르는데 트랜지스터처럼 스위치 역할을 한다. 멤리스터는 또 정보를 저장하기도 한다. 멤리스터 1개는 일반 트랜지스터 10개 또는 15개와 맞먹는 기능을 한다. HP 연구 팀은 실제로 티타늄과 백금으로 약 30nm 크기의 멤리스터를 만드는 데 성공했다. 

 

 
소프트웨어로 마이크로칩 열 제어
마이크로칩 성능에 영향을 미치는 열을 식히는 연구도 활발하게 진행되고 있다. 트랜지스터가 0과 1을 켜고 끄는 과정에서는 상당량의 열이 발생한다. 켜고 끄는 속도가 빠를수록(처리 속도가 빠를수록) 더 많은 열이 방출된다. 하지만 마이크로칩의 온도가 너무 올라가면 처리 속도는 급격히 떨어진다. 열 방출을 줄이는 연구는 그만큼 칩 성능 개선과 밀접한 관계가 있다. PC 성능이 높아지면서 지금의 컴퓨터에도 내부 온도를 떨어뜨리기 위해 냉각 팬이 달려 있다. 일부 칩에도 냉각 팬이 달려 있다. 하지만 컴퓨터 내부에서 열을 뽑아내려면 상당량의 전기를 소모해야 한다. 전기 소모량이 많은 팬 대신 마이크로칩의 열을 누그러뜨리는 다양한 아이디어들이 속속 나오고 있다.

 

실제로 빼어난 디자인을 갖고 있는 애플사의 맥북 에어노트북은 뜨거운 열을 밖으로 전달하는 특수 소재로 만들어졌다. 또 이 회사가 만든 파워맥 G5도 소량의 냉각액을 마이크로프로세서에 설치된 미세관에 흘리는 방식으로 열을 떨어뜨린다. 하지만 휴대전화나 DMB처럼 작은 휴대용 기기에 적용하기엔 공간이 많이 필요한 단점이 있다. 인텔의 과학자들은 전기를 열로, 열을 전기로 바꾸는 열전 물질의 원리를 이용해 컴퓨터칩을 냉각하는 방법을 연구하고 있다. 이 기술은 정수기에서 급속으로 물을 덥히거나 냉각하는 기술로 이미 사용되고 있다.
 
미국 퍼듀대 과학자들은 공기 청정기에서 바람을 생성하는 원리를 이용해 컴퓨터칩을 냉각하는 방안을 연구하고 있다. 전기장을 이용해 생성한 플라스마 바람을 칩 냉각에 활용하는 방식으로 일반 냉각 팬보다 훨씬 적은 전기를 소모한다.
 
일부 엔지니어들은 소프트웨어 기술을 이용해 열을 떨어뜨리는 방법을 내놓기도 했다. 열 문제를 해결하고 성능을 높이기 위해 여러 개 마이크로프로세서가 탑재된 컴퓨터가 등장하면서 이들 프로세서를 한 개 칩처럼 작동시키는 소프트웨어 기술인 ‘병렬 프로그램’이 주목을 끌기 시작한 것. 병렬 프로그램은 원래는 1980년대와 1990년대 슈퍼컴퓨터를 가동하기 위해 개발됐다. 하지만 일반 슈퍼컴퓨터는 수천 개 마이크로프로세서를 사용하는 반면 일반 PC는 1, 2개 마이크로프로세서만이 사용된다. 하지만 여러 개 마이크로프로세서를 활용하기 위해서는 데이터를 나누고 합치는 등 연산을 수행할 새로운 프로그래밍 기술이 필요하다.
 
지금까지 프로그램이 대부분 개발자들에게 맞춰져 왔다면 앞으로는 일반 개인용 컴퓨터 사용자에 맞는 어플리케이션이 늘어날 전망이다. 미국 마이크로소프트(MS)를 비롯해 스웨덴 에릭슨, 일리노이대 연구진은 여러 개의 마이크로칩을 제어하는 다양한 프로그래밍 언어를 내놓고 있다. 최근 인텔에서 만든 i7을 비롯해 AMD의 X4 같은 일부 컴퓨터는 심지어 4개의 프로세스를 갖고 있다.
 
DNA 마이크로프로세서 나온다
최근 10년간 과학자들은 나노 기술이 정보기술의 한계를 넘어서게 만들 확실한 열쇠를 쥐고 있다고 봐왔다. 실제로 일부에서는 기업들이 종전의 실리콘 공정을 버리고 아예 신개념 트랜지스터를 만들어야 한다는 주장도 나온다.
 
탄소 덩어리가 튜브 모양으로 된 탄소나노튜브는 트랜지스터 크기를 크게 줄였다. IBM 연구진은 실리콘 대신 탄소나노튜브로 상보성금속산화물반도체(CMOS) 회로를 만들기도 했다. 미국 퍼듀대 연구진도 탄소나노튜브로 CMOS보다 훨씬 작은 새로운 방식의 트랜지스터를 만들기도 했다.
 
최근에는 더 확실하게 칩 크기를 줄이는 방법도 나왔다. 분자 스스로 알아서 회로를 만드는 자가 조립법이다. 열이나 빛, 원심력에 노출되면 자기 스스로 회로를 구성하는 분자의 성질을 이용하는 방식으로, 회로 크기를 분자 수준으로 줄일 수 있다. IBM은 화학 결합으로 묶인 폴리머들을 이용해 벌집 모양의 메모리 회로를 생성하는 방법을 보여줬다.
 
벌집 모양의 탄소 덩어리가 종이처럼 이어진 나노그래핀은 가장 주목받는 물질로 손꼽힌다. 검댕을 넓게 펼친 뒤 스카치테이프를 붙였다 떼면 얇은 단원자층의 탄소 덩어리가 떨어져나오는데 이것이 바로 그래핀이다. 과학자들은 이 물질이 상온에서 다른 어떤 물질보다 전자를 빨리 전달한다고 보고 있다. 그래핀을 통과하는 과정에서도 원자들과 부딪혀서 잃어버리는 에너지가 극히 적기 때문에 열도 덜 발생한다. 그래핀에 관한 연구는 아직 초창기지만 과학자들은 그래핀으로 10nm 정도의 트랜지스터를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이렇게 되면 탄소 원자 1개층으로 이뤄진 전자 회로도 등장할 전망이다.
 
일부 생명 공학자들은 아예 종전 개념을 뛰어넘는 신개념 기술을 선보이고 있다. 빛을 정보 이동 수단으로 이용하는 광자 컴퓨터가 그 중 하나다. 광자 컴퓨터는 정보 운송 수단으로 전자를 사용하는 종전 컴퓨터와 달리 빛 알갱이인 광자(光子)가 그 역할을 한다. 이론상 컴퓨터 처리 속도는 빛의 속도만큼 빠르다. 빛을 제어하는 기술에는 초고속 광통신에서 사용된 광학 스위치가 사용된다.
 
일반 마이크로칩을 광소자와 연결하는 기술은 가장 활발하게 개발되고 있는 분야다. 기존 마이크로칩은 초고속 통신망을 통해 이동하는 엄청난 정보를 처리하는 데 한계가 있다. 광섬유를 통과한 전기 신호가 칩에 들어가기 전 ‘병목 현상’이 생기기 때문이다. 유통되는 정보량은 많지만 칩 속도가 이를 따라잡지 못하는 것. HP의 과학자들은 대량 정보가 빠른 속도로 마이크로칩 사이를 유통할 수 있는 접속 장치를 만들었다. 또 다른 일부 과학자들은 컴퓨터 내부에서 광학 접속 장치를 이용해 구리선 대신 마이크로칩과 메모리, DVD 드라이브를 광섬유로 연결하는 방안을 연구하고 있다.
 
사람의 유전 정보를 담고 있는 DNA를 마이크로칩처럼 사용하는 방안도 상당 부분 진척되고 있다. 생체 컴퓨터는 살아 있는 유기체에서 발견된 구조로 트랜지스터를 대체하는 방식이다. 유전 정보를 담고 있는 DNA와 RNA 분자는 살아 있는 세포의 생명에 관련된 프로그램을 저장하고 있다. 실제로 DNA 가닥은 동시에 서로 다른 연산을 수행할 수 있다. 또 이들 가닥을 서로 연결하면 대형 병렬 컴퓨터처럼 대규모 연산 작업을 수행할 수도 있다. 또 과학자들은 살아 있는 세포 활동과 세포 주변 환경에 대한 반응 메커니즘을 이용하면 새로운 연산 알고리즘을 만들 수 있을 것으로 보고 있다. 무엇보다 생체칩은 보다 많은 용량을 갖는 것에 덧붙여 엄청난 규모의 병렬 처리가 가능하다는 장점이 있다. 새끼손가락 크기만 한 DNA칩에는 수십억 개 트랜지스터가 들어간다. 이스라엘 와이즈만 과학연구소는 DNA로 간단한 마이크로프로세서를 만드는 데 성공했다.
 
이 밖에도 슈퍼컴퓨터 수백만 대를 연결해야 할 수 있는 일을 간단히 해치울 만큼 가공할 위력을 갖는 양자 컴퓨터도 개발되고 있다. 2진법을 쓰는 현재 컴퓨터에서는 모든 데이터가 0 또는 1로 나타낸다. 이것이 바로 1비트이다. 하지만 양자 컴퓨터에서는 데이터가 0이면서 동시에 1이 될 수 있다. 양자 컴퓨터는 동시에 여러 개 데이터를 처리하는 소인수분해, 암호 풀기, 데이터베이스나 인터넷 검색, 신약 후보 물질 탐색에 강력한 무기가 될 것으로 기대된다.
관련기사