빛을 이용한 초고속 메모리?

빛으로 계산하는 포토닉 컴퓨팅은 빛으로 처리한 데이터를 결국 전기 메모리에 입출력해야 한다는 점이 실용화를 가로막는 큰 장벽 중 하나로 여겨져 왔다. USC ISI)USC Information Sciences Institute)와 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스 연구팀이 제안한 세계 첫 재생형 포토닉 메모리는 현대 컴퓨터가 안고 있는 처리 속도와 소비 전력 한계를 돌파할 가능성을 지니고 있으며 AI와 데이터센터 등 분야에 혁명을 가져올 것으로 기대된다.

현재 컴퓨터 시스템은 트랜지스터 미세화가 진행되는 한편 전자 신호를 전송하는 금속 배선 저항과 발열이 병목 현상이 되어 데이터 전송 속도 향상이 한계에 도달했다는 평가를 받고 있다. 광통신 기술을 활용해 데이터 전송 고속화는 진행되고 있지만 데이터를 저장하는 메모리 부분은 여전히 전자 기술에 의존하고 있다.

이번에 개발된 포토닉 SRAM(pSRAM)은 기존 전자 메모리와 마찬가지로 데이터를 보유하는 기능을 갖추고 있지만 전기가 아닌 빛을 사용해 동작하는 구조다. 마이크로링 공진기(MRR)와 포토다이오드를 교차 결합시킨 독자 구조를 채택하고 있어 광신호 그대로 데이터의 쓰기와 읽기를 수행할 수 있다.

연구팀이 실시한 시뮬레이션에서 pSRAM은 40GHz라는 극히 고속 주기로 읽기와 쓰기를 실현할 수 있었다. 에너지 효율도 매우 높아 1비트당 스위칭 에너지는 0.6피코줄, 대기 시 정적 에너지는 0.03피코줄로 억제됐다. 연구팀은 이 비트셀 크기는 330×290마이크로미터로 대규모 메모리 어레이로의 집적도 가능하다고 밝혔다.

더구나 지금까지의 광메모리는 특수한 소재가 필요한 경우가 많았던 반면 이번 pSRAM은 글로벌파운드리(GlobalFoundries) 45nm 실리콘 포토닉스 공정이라는 기존 상용 플랫폼에서 제조하는 걸 상정하고 있다. 이는 향후 대규모 광메모리 시스템을 양산하고 기존 전자 시스템과 통합하는 게 현실적으로 가능함을 의미한다고 한다.

연구팀은 AI 가속기 등 능력을 완전히 끌어내려면 전기 메모리와 마찬가지로 견고한 광메모리가 필수적이라고 언급했다. 연구 성과는 2025년 12월 샌프란시스코에서 개최되는 국제 전자 소자 회의(IEDM)에서 발표될 예정이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.