40배 빠른 CPU, 표면 플라즈몬 이용한 광통신 컴퓨터 눈앞
나노 안테나로 CPU 속도 획기적 개선 기대 
본교 교수진 주축 이룬 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구 성과 네이처 커뮤니케이션즈 게재

▲ 왼쪽부터 최원준 IBS 분자분광학 및 동력학 연구단 연구위원(제1저자), 조용현 IBS 분자분광학 및 동력학 연구단 연구위원(제1저자), 최원식 IBS 분자분광학 및 동력학 연구단 부연구단장(교신저자)

컴퓨터와 같은 연산기기는 중앙처리장치(Central Process Unit, 이하 CPU) 집적률을 높여 정보처리 속도를 향상 시킨다. 집적률이 높아질수록 발열 등 장치 성능을 저해하는 요소들도 늘어난다. 최근 전기신호보다 수 백 배 빠른 광신호로 전자소자의 속도를 올리는 연구가 대안으로 떠올랐다. 기술의 상용화를 위해서는 광-전기 정보전환시 생기는 신호 전달의 병목현상 해결이 선행돼야 한다.

미래창조과학부(장관 최양희) 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행 고려대 화학과 교수) 최원식(고려대 물리학과 교수) 부연구단장 연구팀은 얇은 금속 박막에 나노 안테나들을 무질서하게 배열해 병목현상을 해소했다. 기존 나노 안테나보다 40배 넓은 대역폭 확보가 가능하다.

* 중앙처리장치(Central Process Unit, 이하 CPU) : 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 장치로 시스템 전체를 제어한다. 입력장치로부터 자료를 받아 처리해 그 결과를 출력장치로 보내는 핵심적인 일을 수행한다. 

나노 안테나는 금속 박막에 200나노미터(nm, 1nm=10억 분의 1미터) 직경의 구멍을 뚫어 만든다. 이 곳에 빛(광신호)을 쪼이면 표면 플라즈몬(전기신호, 이하 플라즈몬)이 생긴다. 기존 연구는 나노 안테나를 규칙적으로 배열해 플라즈몬을 유도했다. 그 결과 다량의 안테나가 마치 하나의 안테나처럼 작동하며, 많은 신호들을 동시다발적으로 소화할 수 없었다.

* 플라즈몬(plasmon)은 금속 內 자유전자가 집단적으로 진동해 생기는 유사 입자를 말한다. 빛이 특정한 환경 하에서 금속과 부딪히면, 연못에 돌을 던졌을 때처럼 표면에 전자 밀도파가 형성된다. 이 파가 플라즈몬이며 광 주파수로 발생해 빠르게 움직인다. 금속의 나노 입자에서는 플라즈몬이 표면에 한해 존재해 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 한다. 표면 플라즈몬은 빛을 아주 작은 영역에서 모아줄 수 있고, 동시에 광 신호를 표면을 따라 전파하는 전기 신호로 변환시켜 전자소자의 신호로 쓰기 적합하다. 플라즈몬을 연구하는 플라즈모닉스(Plasmonics)는 초고속 연산기기에 개발에 있어, 전자와 광학 회로를 연결하는 방법을 제공할 것으로 여겨져 전세계적으로 연구가 진행되고 있다. 

연구진은 나노 안테나를 무질서하게 배치하는 것으로 문제의 해결책을 찾았다. 플라즈몬의 다중산란을 유도해 나노 안테나 사이의 간섭을 줄인 것이다. 각각의 나노 안테나가 독립된 역할을 수행할 수 있는 이유다.

다수의 나노 안테나가 효과적으로 작동하면 다중입력 다중출력(Multiple-Input Multiple-output, MIMO)으로 동시에 최대 정보의 전달이 가능하다. 이로써 3차원 공간을 움직이는 빛이 2차원 표면의 전기 신호로 바뀔 때 생기는 정보의 손실을 최소화할 수 있다. 

* MIMO 기술은 동시에 여러 개의 입출력이 가능한 안테나 시스템에 쓰인다. 안테나 수의 증가는 MIMO 통신에서 다중입력 채널 수의 증가를 의미하고, 이는 곧 정보전달 대역폭의 증가로 이어진다.

한편, 플라즈몬 다중산란으로 동시 신호의 양이 늘었지만, 플라즈몬들의 움직임을 파악하긴 어려웠다. 원하는 신호를 특정 위치로 보낼 방법이 필요했다. 연구진은 표면 플라즈몬을 분석해 생성 패턴을 찾아냈다. 이후 조명하는 빛의 모양을 조작해 자유자재로 표면 플라즈몬을 제어할 수 있었다.

연구진은 해당 기술로 6개의 마이크로프로세서 에 플라즈몬 신호를 동시에 전달했다[그림 1]. 나아가 광학적 이미지를 그대로 표면 플라즈몬 신호로 전송하는데 성공했다[그림 2].

* 마이크로프로세서(Microprocessor)는 컴퓨터의 산술논리연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령디코더, 제어회로 등의 연산장치와 제어장치를 1개의 작은 실리콘 칩에 모아놓은 처리장치를 말한다. 주기억장치에 저장되어 있는 명령을 해석하고 실행하는 기능을 한다. 냉장고, 텔레비전 등 가전제품과 시무용 자동화기기와 같은 비교적 간단한 전자제품의 두뇌 역할을 한다.

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장을 맡고 있는 최원식 고려대 물리학과 교수는 “이번 연구를 통해 나노 수준의 마이크로프로세서들 사이를 초고속 광통신으로 연결할 수 있는 새로운 방식을 제시했다”며 “이러한 방식이 앞으로 컴퓨터 속도 개선에 크게 기여하길 기대한다”고 밝혔다. 

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470) 온라인판에 3월 6일 게재됐다.

[ 그   림   설   명 ]

[그림 1] 6개의 마이크로프로세서에 플라즈몬 신호 동시 전달. 플라즈몬 신호가 붉은 점이 합쳐진 선의 형태로 전달됨을 보여준다. 가운데 나노 안테나가 있는 금속 나노박막에 위상이 제어된 빛을 입사하면 원하는 위치에 플라즈몬 신호를 동시에 전달할 수 있다.

[그림 2] 플라즈몬 신호로 전달된 2차원 이미지 복원 실험. 그림 a와 같이 꽃무늬 이미지를 빛으로 만들어 무작위로 배열된 나노 안테나에 보낸다. 그림 b와 같이 마치 노이즈처럼 산란된 플라즈몬 신호를 흰색 실선을 따라 반시계 방향으로 측정하였다. 미리 측정된 전달 행렬을 이용하여 그림 c와 같은 꽃무늬 이미지를 복원하였다. 이는 각각의 나노 안테나에 도달하는 광신호를 플라즈몬 신호로 정확히 전달할 수 있음을 보여주는 결과다.

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)