KISTOday 25년 9월호 : 구현철 초거대계산반도체전략연구단장, 반도체기술연구단 이억재 책임연구원
현대 IT 기술의 발전과 함께 전 세계 전력 소모량이 급격히 증가하면서 기존 컴퓨팅 방식은 전력 효율과 연산 능력의 한계에 직면해 있습니다. 특히 해결해야 할 문제의 복잡도가 높아지고 경우의 수가 기하급수적으로 늘어남에 따라, 이를 돌파하기 위한 '확률 컴퓨터'라는 새로운 개념의 반도체가 주목받고 있습니다. 이는 입출력단에 무작위로 움직이는 셀을 배치하고 이를 네트워크로 연결하여, 입력을 넣으면 출력이 나오고 출력으로부터 원인인 입력을 찾아내는 양방향 계산이 가능한 혁신적인 시스템입니다. 확률 기반의 컴퓨팅 방식은 기존의 GPU나 양자 컴퓨터와는 차별화된 물리적 특성을 지닙니다. GPU가 인공지능의 행렬 연산에 특화되었지만 높은 발열 문제를 안고 있는 반면, 양자 컴퓨터는 0과 1이 중첩된 퀀텀 비트를 사용해 방대한 정보를 처리하지만 구현 조건이 매우 까다롭습니다. 확률 컴퓨터는 0과 1 사이를 무작위로 진동하는 확률적 비트를 사용하여 양자 컴퓨터의 장점을 취하면서도, 물리적인 구현은 기존의 비트 형태를 유지하는 중간자적 위치에서 연산의 효율성과 안정성을 동시에 꾀하고 있습니다. 이 기술의 가장 큰 강점은 극저온 환경이 필요한 양자 컴퓨터와 달리 상온에서 동작이 가능하며, 현재의 반도체 제조 공정을 그대로 활용할 수 있어 확장성이 매우 높다는 점입니다. 이러한 범용성은 일기 예보나 스마트 팩토리 설계처럼 변수가 너무 많아 기존 컴퓨터로 해결하기 어려운 초거대 계산 영역에 즉각적인 해결책을 제시합니다. 특히 결괏값으로부터 거꾸로 원인을 추적하는 역연산 방식을 활용하면, 복잡한 문제의 해답을 찾는 시간을 획기적으로 단축하여 산업 전반의 효율성을 높일 수 있습니다. 수조 개가 넘는 경로 중 최적의 이동 수단을 찾는 문제처럼, 실생활에는 정답을 도출하기 위해 수개월의 시간이 필요한 복잡계 문제가 산재해 있습니다. 확률 컴퓨터는 모든 경우를 하나씩 대조하는 소모적인 방식 대신, 정답일 확률이 높은 후보군을 수 분 내에 빠르게 추려내는 전략을 취합니다. 이러한 접근법은 불확실한 정보 속에서도 유연하게 대응해야 하는 현대 사회의 다양한 문제를 해결하는 데 최적화되어 있으며, 기존 이진법적 사고의 틀을 깨는 새로운 연산 패러다임을 제공한다는 점에서 그 의미가 큽니다. 현재 미국, 일본 등 기술 선진국들이 이 분야를 선점하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있으나, 아직 고도의 프로세스 구현 단계에는 이르지 못해 우리에게도 충분한 기회가 열려 있습니다. 고유의 알고리즘과 독자적인 하드웨어 설계를 바탕으로 지식재산권을 확보한다면 글로벌 시장에서의 주도권을 가져올 수 있습니다. 반도체 개발은 즉각적인 성과보다 장기적인 끈기가 필요한 분야인 만큼, 정의되지 않은 영역의 난제를 풀어내려는 연구자들의 끊임없는 도전이 차세대 반도체 강국으로 나아가는 핵심 동력이 될 것입니다.
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