- 장거리 연결성 개념을 도입하여 신호 채널 수-대역폭 간의 상충 관계 극복
- 세계적인 국제학술지 Light: Science & Applications에 9월 2일자로 게재
▲ (좌측부터) 서울대 전기정보공학부 유선규 교수(공동교신저자), 박남규 교수(공동교신저자), 김경훈 학부생 연구원(제1저자)
서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 유선규 교수·박남규 교수팀이 광집적회로에 위상학적 설계 기법을 도입하여, 노이즈에 강한 광대역 신호처리 플랫폼 구현에 성공했다고 밝혔다.
최근, 그래픽처리장치(GPU)를 활용하는 기존 AI 기술이 발열 및 소모전력 측면에서 큰 난항을 겪고 있다. 이에 전자 소자보다 동작 속도가 수십배 빠를 뿐만 아니라 에너지 소모 및 발열도 훨씬 적은 빛 신호를 활용하여 AI 기술을 구현하려는 노력이 NVIDIA, TSMC, 인텔 등을 중심으로 이어지고 있다. 그러나 이러한 광학 AI 기술에서 가장 큰 난제는 빛의 흐름이 시스템 상태 변화에 지나치게 민감하여 상용화에 필요한 안정성을 얻기 어렵다는 점에 있다. 이번 연구 성과에서 제안된 시스템은 기존 광학 시스템들과는 달리, 장거리 상호작용을 활용 가능하도록 하드웨어를 구축함으로써, 위상학적으로 보호된 다(多)채널 기반 광대역 신호처리를 가능케 한다. 이를 통해, 빛을 활용하는 초고속-저전력 AI의 상용화에 한걸음 다가갔다고 할 수 있다.
이번 연구 성과는 광학 분야의 세계적 학술지인 Light: Science & Applications(IF = 20.6, JCI 상위 2.08%)에 9월 2일 게재되었다.
어떤 물체에 변형을 가해도 유지되는 물리량에 초점을 맞추는 위상학적 물리학(topological physics)은 노이즈에 강한 연산 및 신호처리를 가능케 한다는 점에서 양자컴퓨터, 고체물리, 광학 및 전자회로 분야에서 폭넓은 관심을 받고 있다. 특히, 빛의 정교한 흐름 제어를 통한 연산 수행을 목표로 하는 광학 집적회로 분야에서는, 위상학적으로 보호되는 빛의 상태를 이용하여 노이즈에 강한 광학 신호처리 플랫폼을 구현하려는 노력이 지난 10여년간 집중적으로 이어졌다.
해당 연구의 상용화에 있어서 주요 난제 중 하나는 신호 처리 대역폭의 한계 극복이라 할 수 있다. 2차원 상에서 구현되는 광학회로 내에서 소자 간의 인접한 상호작용을 활용하여 위상학적 특성을 구현할 시, 신호 채널 수와 각 채널의 대역폭 간의 상충(Trade-off) 관계가 성립되어, 전체 신호처리 동작의 대역폭(채널수×대역폭)을 확장하는 것이 물리적으로 불가능하였다. 이는 광학 신호의 가장 큰 장점인 초고속 연산 기능을 크게 저해하게 된다.
▲ (그림1) 빛 신호 정보 처리의 예시인 레이저 빔 분할 기능
서울대 전기정보공학부 유선규 교수와 박남규 교수 연구팀은 광학 소자 간의 장거리 상호작용(long-range interaction) 개념을 도입하여, 2차원 상에서 넓은 대역폭 구현을 가능하게 하는 다채널 위상 보호 광학 플랫폼을 세계 최초로 구현하였다. 해당 플랫폼은 위상학적 성질을 활용하여 소자 제작 시 발생할 수 있는 공정오차 또는 동작 노이즈에 매우 강한 특성을 가진다. 이는 수십 나노미터(10억분의 1미터) 수준의 오차 또는 수~수십 도 수준의 온도 변화에 매우 민감한 광학 집적회로의 상용화에 큰 이점을 제공한다.
특히, 연구팀은 2차원 광학회로 내에서의 장거리 상호작용이 가능한 하드웨어를 제시함으로써, 위상학적으로 보호되는 신호 채널 수와 각 채널의 대역폭 간의 상충 관계를 극복할 수 있음을 보였다. 해당 접근 방식을 통해 대역폭을 손상시키지 않으면서도 더 큰 위상학적 물리량을 실현할 수 있게 하였다. 이를 바탕으로 실리콘 광학 집적회로에서 여러 결함에 강한 특성을 유지하는 광대역 다채널 신호 처리가 가능함을 입증하였다.
▲ (그림2) 장거리 상호작용 개념이 도입된 다채널 위상학적 에너지 분할의 개념도: 구역별로 다르게 위상학적 물리량이 설계되어, 가장자리 모드(Edge Mode)를 통해 빔 분할이 이루어지며, 해당 구조를 통해 신호 대역폭이 크면서도 오차에 매우 강한 빔 분할 작동을 가능케 함
논문의 제1저자인 김경훈 학생은 '’이전에 인접한 상호작용을 활용한 위상광학 회로가 구현된 바 있으나, 채널 수를 늘릴수록 채널 대역폭이 좁아지는 근본적인 문제가 있었다”며 "장거리 상호작용을 통해 채널 대역폭 문제를 해결함으로써, 광집적회로에서의 신호 처리가 더욱 효율적이고 신뢰성있게 가능해졌다"고 의의를 밝혔다.
논문의 공동 교신저자인 유선규 교수와 박남규 교수는 "본 연구를 통해 현재 AI 및 양자컴퓨터 분야에 폭넓게 활용되는 실리콘 포토닉스 기술 기반 광자집적회로 내에서 결함에 강한 신호 처리가 가능해졌다. 해당 기술은 위상학적으로 보호되는 광자 메모리 및 광학 컴퓨팅 소자에 직접적으로 적용될 수 있으며, 원리적으로는 2차원 평면 상에서 더 높은 차원의 물리 현상을 모델링했다고 볼 수 있다"고 전했다.
해당 연구는 김경훈 학생(제 1저자: 현재 MIT 박사과정)과 김지성 학생(제2저자: 현재 UC버클리 박사과정)이 학부 인턴과정 중 연구를 주도한 결과로 현재 유수의 대학에 유학 중이다. 그리고 과학기술정보통신부 기초연구실 사업(BRL, 전자-광자 하이브리드 기반 멤리스틱 소자 기초연구실), 중견연구자 및 우수신진연구 사업과 서울대학교 창의선도 신진연구자지원사업을 통해 수행되었다.
[문의사항]
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 유선규 교수 / 02-880-7281 / sunkyu.yu@snu.ac.kr
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 박남규 교수 / 02-880-1820 / nkpark@snu.ac.kr