우주에서 가장 빠른 것은? 정답은 빛이다. 그래서 IBM의 연구자들은 빛으로 슈퍼컴퓨터의 성능을 증진시킬 수 있다고 판단했다. 연구팀은 현재 빛으로 정보를 전달하는 소형 실리콘 칩 개발에 나서고 있다.
이 칩의 대부분은 일반 실리콘 칩과 동일하다. 구체적으로 정보의 처리 및 변형을 담당하는, 즉 실질적 컴퓨팅을 수행하는 부품은 여전히 반도체의 논리소자인 게이트를 통해 전자를 이동시킨다. 하지만 칩의 여러 부위로 정보를 나르는 인터커넥트(interconnect) 칩은 기존 칩과 완전히 다르다.
전자 대신 빛을 전달한다. 전자를 이동시키면 칩이 과열돼 컴퓨터 속도가 현저히 떨어질 수 있지만 빛은 그렇지 않다. 특히 빛은 전자에 비해 보유가 용이하고 이동 중 정보손실도 적다. 연구팀은 이 같은 신속한 정보전달력에 근간해 초당 연산능력이 1018에 이르는 '엑사스케일(exascale)' 슈퍼컴퓨터 개발도 가능할 것으로 기대한다.
이는 현존 최강 슈퍼컴퓨터보다 1,000배나 빠른 연산속도다. IBM의 엔지니어 윌 그린에 따르면 광학 인터커넥트 기술에는 또 다른 이점도 있다. 전력 소모량을 대폭 줄일 수 있어 운영비 절감효과가 뛰어나다는 설명이다. 기존 슈퍼컴퓨터가 대개 ㎿ 단위의 전력을 소모한다는 점에서 결코 좌시할 수 없는 메리트다. 연구팀은 2018년경 상용 칩이 슈퍼컴에 채용될 것이라고 밝혔다.
광자의 정보 전달 메커니즘
신호 생성
다이오드 레이저가 도파관(導波管)이라는 실리콘 통로로 빛(source light)을 발사한다. 빛에 여러 파장(색상)을 담을 수 있기 때문에 동시에 다른 신호들을 다수 전달할 수 있다.
정보 암호화
변조기가 빛줄기를 펄스 단위로 잘라내면서 정보를 암호화한다. 구체적으로 빛줄기가 변조기로 들어가면 일련의 온/오프 전류와 맞닥뜨린다. 전류가 있으면 빛의 흐름이 느려지며 전류가 사라지면 빛은 아무런 방해 없이 흐른다. 이렇게 빛이 0과 1의 정보를 담은 펄스로 바뀐다.
광(光) 통합
칩에 프로세서가 위치할 공간을 가급적 많이 제공하기 위해 파장 분할 다중화기(WDM)가 다수의 빛 흐름을 모아서 하나로 만든다. WDM의 광 통합 과정은 8개의 가지를 지닌 나무로 설명할 수 있다.
나무의 맨 끝 가지는 8개지만 이것이 점차 굵은 가지로 합쳐지고 비로소 하나의 몸통이 되는 것처럼 WDM도 이 같은 방식으로 빛을 통합한다. 각 빛줄기는 파장(색상)이 다르므로 서로 간섭을 일으키지 않는다.
때문에 하나의 빛줄기에 8개의 정보가 담길 수 있다. 통합이 완료되면 빛줄기는 여러 개의 작은 도파관을 벗어나 하나의 도파관을 통해 이동한다.
광(光) 이동
다중화기를 빠져나온 빛줄기는 칩에 코팅돼 있는 격자무늬 통로 속을 이동한다. 각 격자의 교차지점이 일종의 광학 스위치가 되어 빛줄기를 어느 방향으로 보낼지 제어한다.
광(光) 분할
8개의 빛줄기가 각각 올바른 프로세서에 도달하도록 하려면 이를 다시 파장(색상)별로 분할해야 한다. 이를 위해 역 다중화기가 다중화기의 과정을 거꾸로 수행한다.
게이트 도착
주지하다시피 칩의 트랜지스터는 연산을 위해 전자를 사용한다. 따라서 광검출기를 통해 빛을 전자신호로 변환해야 한다. 광검출기는 게르마늄 반도체로 돼 있는데 게르마늄은 광자와 접촉하면 전자를 방출한다. 즉 빛이 광검출기에 닿으면 광 펄스가 전자신호 펄스로 바뀐다. 물론 광 펄스에 담긴 정보는 그대로 전달된다.
연산
0과 1로 암호화된 정보를 담은 전자신호가 트랜지스터로 이동한다. 그리고 트랜지스터에 의해 실질적인 연산이 시작된다.
▩ STATS
2.5 페타플롭 현존 최강 슈퍼컴퓨터 '티안허- 1A'의 최고 연산 속도. 1페타플롭은 초당 연산 속도 1,000조번.
10 페타플롭 올해말 가동 예정인 IBM '블루워터스' 슈퍼컴퓨터의 최고 연산 속도
1,000 페타플롭 엑사스케일 슈퍼컴퓨터 최고 연산속도
