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▲ 개발된 초저전력 광-게이트 기반의 광연산 개념도 MEMS 기반 광-게이트로 구현된 광-GPU 개념도. MEMS를 이용하여 광-게이트의 기하학적 구조를 변화시켜 광-GPU내의 빛의 흐름을 제어할 수 있다.
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빛을 이용해 수백 개의 가상 GPU를 하나의 GPU로 구현하는 기술인 '광자 기반의 연산장치(광-GPU)' 대기전력을 기존 대비 100만 배 이하로 줄여 효율성을 극대화한 신개념 광-GPU가 개발됐다. 이로써 AI(인공지능) 연산 및 양자컴퓨터 구현에 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 이건우)는 9일 "로봇및기계전자공학과 한상윤 교수팀이 KAIST 유경식 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 대기전력을 기존 대비 100만 배 이하로 줄일 수 있는 광-GPU 기술을 개발했다"고 밝혔다. 

그동안 기존의 광-GPU는 온도가 수백도까지 오르는 심한 발열로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 
 

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▲ 개발된 MEMS 기반 광-게이트의 개념 및 사진 (좌) 개발된 광-게이트의 수학적 모델. (우) 실제로 구현된 광-게이트의 현미경 사진.
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이에 DGIST·KAIST 공동 연구팀은 광-GPU의 단위 구성요소인 가변형 광집적회로에 작고 미세한 크기의 기계적 및 전자적 요소들을 통합하여 시스템을 만드는 기술인 MEMS(Micro-Electo-Mechanical Systems ; 미세 전자 기계 시스템) 기술을 적용했다. 이를 통해 대기전력 소모를 기존 대비 100만 배 이하로 낮추어 발열 문제를 근본적으로 해결했다. 

한상윤 DGIST 로봇및기계전자공학과 교수는 "세계 최초로 MEMS 기술을 광-GPU에 접목하는 발상의 전환으로 혁신적인 결과를 얻었다"면서 "향후 초거대 AI 모델 및 양자컴퓨터에 활용 가능할 것으로 기대된다"고 말했다. 

이어 향후 실용화와 관련해서는 "개발된 소자를 반도체 패키징을 통해 실험실 바깥에서도 쉽게 사용할 수 있게 하는 연구를 진행 중"이라며 "패키징이 성공하면 5년 내에 실용화 하는 것을 목표로 하고 있다"고 덧붙였다. 

한편, 이번 연구는 DGIST 김동욱, 박영재, 김도윤 학생, KAIST 정영재 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 삼성전자 미래기술육성사업 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 광공학 분야 최고 권위의 저널인 <Nature Photonics 저널> 2023년 12월호에 게재됐다. 

DGIST는 "이번 연구 결과는 미국의 MIT 및 프린스턴, 유럽의 IMEC 등과의 치열한 경쟁 속에서 이루어 낸 중요한 성과"라며 "경쟁 기술 대비 100만 배 낮은 대기 전력 소모(<10 fW) 성능을 인정받아 광공학 분야 최고 권위 저녈에 게재됐다"고 설명했다. 
 

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▲  사진 왼쪽 위부터 시계 방향으로 DGIST 한상윤 교수, 김도윤·김동욱·박영재 학생, KAIST 유경식 교수, 정영재 학생
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