'1만배 빠른' 세계 최대 실리콘 광집적스위치 개발 성공

반도체 칩 크기 한계를 뛰어 넘는 연구 성과

240개 광 입출력 연결, 초당 100만번 재구성

GIST-UC 버클리 공동 연구, 국제학술지 게재

【광주=뉴시스】 송창헌 기자 = 광주과학기술원(GIST·지스트) 전기전자컴퓨터공학부 석태준 교수가 미국 캘리포니아주립대 버클리캠퍼스(UC Berkeley) Ming C. Wu 교수와 공동연구를 통해 세계 최대 실리콘 광집적스위치 소자개발에 성공했다고 25일 밝혔다. 왼쪽은 광반도체 칩을 연결해 구성된 웨이퍼-스케일 실리콘 광집적스위치 개념도. 오른쪽은 6인치 실리콘 웨이퍼에 제작된 광집적스위치. 2019.04.25 (사진=광주과학기술원 제공)[email protected]

【광주=뉴시스】송창헌 기자 = 광섬유를 통한 빛의 정보교환을 기존보다 빠르고 효과적으로 재구성할 수 있는 세계 최대 광집적스위치가 국내 연구진에 의해 처음으로 개발됐다.

25일 광주과학기술원(GIST·지스트)에 따르면 전기전자컴퓨터공학부 석태준 교수가 미국 캘리포니아주립대 버클리 캠퍼스(UC Berkeley) 밍 우(Ming C. Wu) 교수와의 공동연구를 통해 세계 최대 실리콘 광집적스위치 소자 개발에 성공했다.

광스위치는 다수의 광 입력과 출력 사이의 연결을 빠른 속도로 재구성해 광통신네트워크에서 광 정보의 흐름을 조정하는 장치로, 데이터센터 내의 수많은 서버들을 연결해 주기 위해선 광스위치의 규모, 즉 입·출력 단자수를 확장시키는 것이 매우 중요하다.

이러한 광스위치를 반도체칩에 집적해 구현한 소자를 광집적 스위치라 부르며 광스위치의 규모 확대를 위한 연구가 전 세계적에서 경쟁적으로 이뤄지고 있다.

이번에 개발된 광스위치는 실리콘 반도체 공정기술을 이용해 240개의 광입력과 240개의 광출력 간 연결을 재구성해줄 수 있는 5만개가 넘는 나노구조체를 실리콘 반도체 칩 위에 집적하는데 성공했다. 이는 지금까지 발표된 광집적스위치 중 세계 최대 규모다. 

우리가 매일 사용하는 전자우편(e-메일), 웹 검색, 온라인 쇼핑, 사회관계망서비스(SNS) 등의 온라인 서비스들은 모두 데이터센터에 존재한 컴퓨터(서버)에 의해 제공된다. 온라인상의 각종 사진, 동영상, 문서 등이 클라우드 기반으로 저장·관리되는 데이터센터에는 지금 이 순간에도 수 십만대의 서버들이 광섬유를 통한 네트워크로 연결돼 막대한 정보를 주고받고 있다.

이러한 정보의 흐름을 관리하는 역할을 하는 것이 네트워크 스위치로, 현재 사용중인 전기신호 기반의 네트워크 스위치는 전력 소모가 크고 많은 열을 발생시켜 처리할 수 있는 정보량이 곧 한계에 도달할 것이라는 예상이 지배적이다. 이로 인해 막대한 정보량을 기반으로 하는 초연결시대의 차세대 네트워크에서는 광스위치가 전기스위치를 대체할 것이라는 전망이 설득력을 얻고 있다.

이런 분위기를 반영하듯 반도체 칩 안에서 빛을 진행시키고 그 진행경로를 재배열할 수 있는 광집적스위치가 최근 세계적으로 활발하게 연구돼 왔다. 하지만 그동안 개발된 광집적스위치는 입·출력 개수가 증가할수록 빛이 많은 스위칭스테이지(광집적스위치 안에서 빛의 경로를 조절하는 기본단위)를 거쳐야 하는 구조인 탓에 광손실이 누적되는 한계를 보여왔다.

또 칩의 크기(2~3㎝)가 제한적인 반도체 공정의 특성상 스위치 크기의 확장도 제한적이었다. 이 때문에 기존에 발표된 광집적스위치는 처리할 수 있는 광 입·출력 단자가 수 십개에 불과한 실정이었다.

【광주=뉴시스】 송창헌 기자 = 광주과학기술원(GIST·지스트) 전기전자컴퓨터공학부 석태준 교수가 미국 캘리포니아주립대 버클리캠퍼스(UC Berkeley) Ming C. Wu 교수와 공동연구를 통해 세계 최대 실리콘 광집적스위치 소자 개발에 성공했다고 25일 밝혔다. 사진 왼쪽이 석태준 교수. 2019.04.25 (사진=광주과학기술원 제공)[email protected]

연구팀은 실리콘 광반도체 위에 다단계의 스위칭 스테이지를 배열하는 기존 방식에서 벗어나 복층으로 구성된 광도파로(배수관과 같이 빛을 가둬 진행하게 하는 구조체)를 입체적으로 구현, 미세전자기계시스템으로 광도파로를 물리적으로 이동시켜 빛의 경로를 전환하는 획기적 방식을 통해 광손실의 누적을 피할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다.

또 광반도체 공정시 실리콘 칩을 연결하는 방식을 최초로 도입, 240개의 광 입·출력 연결을 재구성할 수 있는 세계 최대 광집적스위치를 구현했다. 이번에 개발된 스위치는 1초에 100만번 이상 입·출력 간의 연결을 재구성해 줄 수 있는데 이는 1초에 100여번 정도 재구성이 가능한 기존 상용 광스위치에 비해 만배 이상 빠른 속도다.  

석태준 교수는 "이번 연구에서 소개된 광반도체 칩을 연결하는 방법은 기존 반도체칩 크기 한계를 뛰어 넘어 대규모 광집적회로를 가능하게 해주는 혁신적인 기술로, 광집적스위치 뿐 아니라 광소자 양자컴퓨팅, 광기반 프로세서, 광인공신경망 등 현재 활발하게 연구되고 있는 차세대 대규모 광집적회로 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 GIST 석태준 교수와 미국 UC 버클리 권경목 박사, 밍 우 교수가 함께 참여했으며, 연구 결과는 권위있는 국제학술지인 '옵티카'에 지난 12일 온라인으로 게재됐다.


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