| [실리콘 포토닉(silicon photonics) 시대를 여는 Intel, 25개의 실리콘 레이저와 25개의 실리콘 모듈레이터에 의한 1테라비트 용량 처리의 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip) 개발 목표 중, 2008년 6월에 8개에 의한 200기가비트 처리 용량의 광학 칩 테스트에 성공, 3-5년이면 상용화 계획(A Record-Breaking Optical Chip. Intel researchers have built a superfast silicon chip for optical networking(09/Jul/2008)] 2008년 6월 Intel은 차세대 광네트워크(optical networks)나 광컴퓨터를 위해, 모두 실리콘(Silicon)으로 만든 초당 200기가비트의 데이터를 하나의 빛에 엔코딩할 수 있는 광학 모듈레이터(modulator)로 이루어진 테스트 칩을 공개했다. 지금까지 개발된 가장 빠른 광 네트워크는 초당 100기가비트인데, 이는 비-실리콘 물질로 만든 것으로, 비용이 실리콘 보다 비싸고 더 이상 속도를 올릴 수 없다는 한계를 갖고 있다. 이번에 공개된 Intel의 테스트 칩은 원래 목표치인 25개의 하이브리드 실리콘 레이저에 25개의 모듈레이터를 통합하는 것으로, 이번에 개발된 것은 이 중 8개의 하이브리드 레이저에 8개의 모듈레이터에 의한 200기가비트 용량을 처리할 수 있는 테스트 칩이다.
----------------------------
[목차]
1. 작금의 문제는 무엇인가?
2. 실리콘 포토닉(silicon photonics)의 도래
3. Intel의 도전 - 실리콘의 한계와 극복
4. 2008년 6월의 200기가비트의 실리콘 광학 모듈레이터
5. 향후 연구 과제 및 기대
6. 기타 실리콘 포토닉(silicon photonics) 에 도전하는 사례
--------------------------------------------------------
1. 작금의 문제는 무엇인가?
구리선(copper wires)을 광(light, optic)으로 대체하라. 작금의 문제는 광케이블이나 FTTH(Fiber to the home)가 아니라 바로 컴퓨터의 마이크로프로세서나 반도체 칩이 문제이다. 이들은 데이터를 저장하거나 처리할 때 모두 아날로그적인 구리선을 이용하기 때문이다. 따라서 빛의 속도로 달려오던 정보들은 컴퓨터의 게이트웨이를 지나는 순간 달팽이 속도(Snail’s Pace)로 느려진다. 온통 컴퍼넌트들이 아날로그 선(wire)으로 연결되어 있기 때문이다. 마찬가지로 빛의 속도로 집(Home)으로 달려오던 정보들은 게이트웨이를 지나는 순간 온통 아날로그적인 기기들로 가득찬 가전 제품들 때문에 그 속도는 엄청 느려진다. 그러므로 이를 해결하는 방법은 마이크로프로세서나 트랜지스터들이 바로 빛으로 작동하게 만드는 것이다.
또한 2008년 6월 30일에 발표된 슈퍼컴퓨터 500 대 중 1위인 IBM의 로드러너(Roadrunner) 슈퍼컴퓨터는 총 122,400 개의 프로세서로 그 연산 속도는 무려 1.026페타플롭스(petaflops, 초당 1천26조 연산)를 자랑한다. 이는 이미 3세대의 기가(Giga)를 넘고 4세대의 테라(Tera)를 넘어 5세대인 페타(Peta)로 들어서고 있다. 그러나 우리 일반 PC들은 고작 많게는 4개(Quad)의 프로세서가 작동하는 3세대에 머물고 있다. 이게 4세대로 진입하려면 4개가 아니라 8개, 16개로 늘어나야 하고 이들을 연결하는 기존의 구리선들이 모두 빛으로 바뀌어야 하는데, 이를 광학(photonics) 기술이라 하며, 실리콘이 아닌 물질들은 그 만큼 비싸고 경험이 없어 현재 반도체 기업들은 기존의 실리콘을 이용하고자 하는데, 이를 실리콘 포토닉(silicon photonics)이라고 한다. 아마도 지금부터 10년 후에나 되어야 상용화가 될 것으로 보고 있다
2. 실리콘 포토닉(silicon photonics)의 도래
이러한 광컴퓨터와 광통신 시대가 열리려면, (1) 빛을 발하는 레이저(laser) 기술의 발견, (2) 빛에 데이터를 엔코딩하는 모듈레이터(modulator) 기술의 발견, (3) 입력되는 시그널을 감지하는 디덱터(detector) 기술, (4) 시그널을 걸러 내는 필터(filter) 기술, (5) 수백억개의 트랜지스터로 이루어진 실리콘 매트릭스 안에서 레이저 빛이나 광 신호들(optical signals)의 방향을 마음대로 구부리고 방향을 조절할 수 있는 3차원 광학 파장가이드(3-D optical waveguides) 기술, (6) 데이터들을 원하는 프로세서나 트랜지스터로 보낼 수 있고, 칩(chip) 위에서 광네트워크(optical networks)를 구성할 수 있는 광 스위치(switch) 기술, 그리고 (7) 이를 광통신(fiber networks)으로 연결하는 기술이 필요하며, (8) 광섬유를 통해 장거리를 달려와 약해진 신호들을 증폭하는 광자 로직 게이트나 양자 로직 게이트(quantum logic gate) 기술이 필요하다. 이 모든 기술이 하나의 칩으로 통합될 때 이를 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip)이라 말할 수 있는데, 대략 2015년 경이나 가야 해결될 것으로 보인다. 빛이 전자의 구리선을 대체하면 열이나 전기소모의 문제도 해결되고 크기나 데이터의 변형이나 손실 문제도 해결될 수 있으며, 용량과 속도도 테라비트로 향상시킬 수 있다.
이 중 Intel 은 2006년부터 2012년 상용화를 목표로 <레이저+모듈레이터+디덱터(detector)를 하나의 칩으로 통합하는 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip) 개발에 박차를 가하고 있고>, IBM은 2007년에 <광학 모듈레이터(Optical Modulator)인 Supercomputers-on-a-chip 을 개발, 코어(core or brain)나 컴퓨터 클러스터들을 연결하는 기존의 구리선(copper wires)을 대체 하는 기술을 데모하였으며>, 이어 IBM은 2008년 <초당 테라비트의 데이터를 광네트워크(optical networks)로 구성할 수 있는 나노단위 실리콘 스위치(nanoscale silicon switch)를 데모하였고>, 미국 University of Illinois at Urbana-Champaign은 2008년 1월에 <3차원 광학 파장가이드(3-D optical waveguides) 기술을 데모하였으며>, 미국 노스웨스턴대학은 <광섬유에서 작동되는 양자 로직 게이트(quantum logic gate)를 데모하여> 양자 컴퓨터/양자 네트워크 시대를 열고 있다.
3. Intel의 도전 - 실리콘의 한계와 극복
그런데 실리콘 포토닉(silicon photonics) 시대를 열려면 실리콘의 한계를 알고 그 한계를 극복하는 방법을 발견해야 한다. 광학기술은 빛을 이용하여 데이터를 전송하는 기술로 초당 테라비트의 데이터를 전송하는 네트워크의 핵심이다. 그러나 반도체 산업의 실리콘은 빛을 발하는(produce) 성질도 없고 빛을 감지하지도(detect) 못하며 빛을 흡수하지도(absorb) 않아 광자를 조절할(manipulate) 수 없는 성질의 물질이므로 광학에서는 무용지물이다. 따라서 그간 광학에서는 실리콘을 간과해왔다. 그러나 최근 몇 년간 광학 엔지니어들은 실리콘의 한계를 극복하는 방안을 찾기 시작했다. 즉, 광학 연구자들은 이국적인 반도체 물질인 빛을 발하는 인듐 인화물(indium phosphide)을 실리콘에 융합하기 시작했다. 그러나 인듐 인화물은 빛을 쉽게 발산하고 비용이 저렴하지만 다루기가 어려운 물질이다. 하지만 이를 실리콘과 잘 융합하는 것이 바로 핵심기술이다.
2004년에 Intel의 Mario Paniccia가 이끄는 실리콘 포토닉 랩(silicon-photonics lab) 그룹은 데이터를 레이저 빔에 엔코딩할 수 있는 실리콘 모듈레이터를 만들어 초당 1기가비트의 용량을 처리할 수 있음을 보여주었다. 그러자 다른 통신 기업들도 비-실리콘 물질을 이용한 모듈레이터를 개발하여 초당 40기가비트를 전송할 수 있는 기술에 도전하기 시작했다. 2005년에 Paniccia 그룹은 이를 더욱 향상시켜 놀랍게도 100% 실리콘 레이저(all-silicon laser)를 만들어 초당 10기가비트로 높였다. 100% 실리콘 레이저는 근적외선 파장(near-infrared wavelengths)을 쏘이면 빛을 발하므로 이는 의료용 기기에 적용할 수 있다. 2006년 9월에는 실리콘과 인듐 인화물(indium phosphide)을 융합한 하이브리드 실리콘 레이저(Hybrid Silicon Laser)를 개발해 이를 실리콘 웨이퍼에서 조립해 실용적인 통신용 레이저를 개발 할 수 있음을 데모하였는데, 하이브리드 실리콘 레이저는 적외선 영역에서 작동하므로 통신용 네트워크에 사용될 수 있다. 2007년 7월에는 초당 40기가비트를 빛에 엔코딩 할 수 있는 모듈레이터와 이를 감지하는 실리콘 감지기(a silicon detector)를 개발해, 실리콘 레이저 + 실리콘 모듈레이터 + 실리콘 감지기를 융합하는 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip) 개발에 박차를 가하고 있다.
실리콘 레이저 - 실리콘은 빛을 발하지 않는다 - 근적외선이든 적외선이든 가장 적합한 파장에서 빛을 발하는 실리콘 레이저를 만들기 위해 연구원들은 아주 적은 양의 인듐 인화물(indium phosphide)을 사용했다. 이 기술의 핵심은 실리콘 웨이퍼와 인듐 인화물 웨이퍼를 아주 쉽게 접착시켜(bonded) 빛(glue)을 발하게 하는 것이다.
실리콘 모듈레이터 - 실리콘은 빛을 조절할 수 없으므로 Paniccia는 다른 디자인을 시도했다. 실리콘 모듈레이터는 주로 아주 비싼 물질인 리튬 니오베이트(lithium niobate)로 만들어, 전압이 걸리면 이들을 통과하는 빛을 쉽게 조절/변경하게 해준다. 그리고 이 물질의 능력을 이용해 빛들로 하여금 실리콘에 식각된 채널로 흐를 수 있도록 가이드한 것이다. Paniccia가 사용하는 모듈레이터는 빛 파장을 재는 하나의 간섭계(interferometer)로 사용되는데, 이 디바이스는 빛의 파장들 사이에서 간섭(interference)을 만들어 낸다. 빛이 모듈레이터 한쪽 끝에 들어오면 이 간섭계를 통해 두 개의 빔으로 쪼개 진다. 이 때 전기 접촉 디바이스들이 각각의 빔의 위상을 조절한다. 다시 말해 같은 파장과 동조(sync)를 가진 빛을 서로 다른 파장의 두 개의 빛으로 나누는 것이다. 그 다음 두 개의 서로 다른 위상의 빔들은 다시 재조합되게 된다. 그 결과 하나의 빔은 On과 Off에서 왔다 갔다 하면서 디지털 정보를 저장하게 된다.
실리콘 감지기 - 실리콘은 빛을 흡수하지 않는다 - 마지막 부분은 레이저와 모듈레이터로부터 빛을 수신하는 감지기(detector)이다. 기존의 실리콘은 빛을 효과적으로 흡수하지 못한다. 그래서 Paniccia는 게르마늄의 원자들(atoms of germanium)을 실리콘에 추가하여 광학적 성질을 갖게 함으로써 통신 파장에서 빛을 흡수하도록 한 것이다. 그 결과 초당 20기가비트에서 작동되는 감지기를 구축했다. 그 다음 연구원들은 게르마늄을 더욱 추가하고 전기 접촉(전극)을 더욱 추가하여 2007년 가을에 초당 40기가비트에서 작동되는 감지기를 개발하였다.
4. 2008년 6월의 200기가비트의 실리콘 광학 모듈레이터
이번에 새롭게 공개된 테스트 칩은 입사하는 하나의 빔을 8개 채널로 나눈다. 이때 각각의 채널은 빛에 데이터를 엔코딩하는 하나의 모듈레이터가 되므로 8개의 모듈레이터가 된다. 그 다음 8개의 빔들은 데이터를 엔코팅한 후 재조합(recombined) 된다. 이번 테스트 결과 각각의 모듈레이터는 각각 초당 25기가비트를 처리했는데, 8개가 거의 같은 용량을 처리했으므로 25x8=200기가비트를 처리했다고 Paniccia는 말한다. 그러나 문제는 8개를 동시에 테스트한 것이 아니라 한번에 하나씩 테스트했다. 조만간 이를 동시에 테스트하는 멀티 채널 테스트를 하여 그 결과를 논문으로 발표할 예정이다. 문제는 멀티 채널을 테스트할 경우 전기적이든 광학적이든 상호 간섭(cross talk)을 할 수 있다는 것으로, 이는 칩의 성능을 방해(hinder)한다. 그러나 사전 멀티 채널 테스트에서 성능을 방해하는 요소를 제거할 수 있는 디자인으로 상호 간섭이 급격히 줄어 들고 있음을 확인했다고 Paniccia는 말한다.
[그림 : 빛을 밝혀라(Light it up). 구리색 중앙에 있는 은색의 직사각형 칩이 Intel의 최신 실리콘 포토닉 버전이다. 이 칩은 광섬유를 통해 옆에서 들어오고 나가는 빛에(여기에서는 보이지 않음) 데이터를 엔코딩하는 8개의 모듈레이터가 포함되어 있다. 8개의 모듈레이터로 이루어진 이 칩은 초 당 200기가비트의 용량을 처리하는데, 궁극적 목표는 총 25개로 1테라비트를 처리하는 것이다. Credit: Intel]
5. 향후 연구 과제 및 기대
Intel의 목표는 총 25개의 레이저에 25개의 모듈레이터를 통합하는 것이다. 지금은 하나의 모듈레이터가 25기가비트를 처리했지만 이들의 목표는 2007년에 증명한 40기가비트이다. 따라서 조만간 레이저+모듈레이터+감지기가 손톱 만한 공간의 하나의 싱글칩(single chip)으로 통합되면 테라비트(25x40=1,000기가비트)의 용량을 처리할 수 있다. 그러면 현재 인터넷 스위칭 센터나 데이터 센터의 많은 공간을 차지하고 있는 비싼 하드웨어들을 이 조그만 칩으로 모두 대체할 수 있으며, 동시에 일반 컴퓨터에 있는 구리선들을 데이터가 엔코딩된 빔으로 대체할 수 있어 테라혁명을 주도할 수 있다.
그러나 갈 길이 멀다. 25개 목표 중 이제 8개를 테스트했다. 그것도 목표인 하나 당 40기가비트에서 이번에 테스트한 결과는 25기가비트이다. 그리고 앞으로 어떻게 빛들을 모듈레이터의 채널로 파이프를 통해 연결할 것인지도 확실치 않다. 현재 하나의 디바이스 끝 위에 하나의 광섬유만을 통해 처리되는 단계에 불과하다. 이를 하나의 칩에 팹되는 하이브리드 레이저가 통합된 버전으로 나와야 한다. 이를 위해 3-5년이면 실리콘 포토닉 칩이 시장에 나올 것으로 Paniccia는 희망하고 있다.
6. 기타 실리콘 포토닉(silicon photonics) 에 도전하는 사례
[양자 컴퓨터(Quantum Computer)란? 양자 컴퓨터의 정보 저장 방법, 양자 컴퓨터의 역사, 미국 노스웨스턴대학, 광섬유에서 작동되는 양자 로직 게이트(quantum logic gate) 개발, 양자 컴퓨터/양자 네트워크의 데모, 양자 인터넷(Quantum Internet)의 도래 앞 당겨, 2008년 4월 4일자 Physical Review Letters 지에 "Demonstration of a Quantum Controlled-NOT Gate in the Telecommunications Band(광통신 밴드에서의 제어 NOT 로직 게이트에 의한 양자 컴퓨터/양자 네트워크의 데모)"라는 논문으로 발표(Toward a Quantum Internet. A quantum logic gate in an optical fiber could lay the foundation for a quantum computer network(05/May/2008), 02466-DIG]
[실리콘 포토닉(silicon photonics) 시대가 온다. IBM 연구원들 컴퓨터 칩(chip) 위에서 초당 테라비트의 데이터를 광네트워크(optical networks)로 구성할 수 있는 나노단위 실리콘 스위치(nanoscale silicon switch) 개발, 향후 10년이면 레이저(laser) + 모듈레이터(modulator) + 감지기(detector) + 필터(filter) + 3차원 광학 파장가이드(3-D optical waveguides) + 스위치(wsitch)가 모두 통합되는 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip)의 도래, 작금의 구리선의 전자가 아니라 빛으로 데이터를 저장하고 빛으로 전송하는 시대가 도래, 이번 연구 결과는 2008년 4월자의 Nature Photonics에 "High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks(온칩 광학 네트워크를 위한 고속처리 실리콘 나노포토닉 파장-무감각 스위치)"라는 논문으로 발표(Bringing Light to Computers. IBM research could bring the speed of fiber-optic networks to the chips inside personal computers(13/Apr/2008), 02457-DIG]
 |
[그림(02457-05) : 스위치는 코어 A의 광학신호를 코어 G로(푸른색 경로), 코어 E에서 코어 C로(붉은 색 경로) 보내기 위해 세팅된다. 사진 : IBM]
[레이저 빛이나 광 신호들(optical signals)의 방향을 마음대로 구부리고 방향을 조절할 수 있는 3차원 광학 파장가이드(3-D optical waveguides)에 도전, 광학전자(opto-electronic)나 광통신(optical telecommunication)의 혁명 예고, 전-광(all-optical)베이스의 반도체, 칩, 디바이스의 탄생 예고, 2008년 1월 호의 Nature Photonics에 "3차원 실리콘 광학 결정체에서의 임베디드 공간 및 파장가이드 만들기(Embedded cavities and waveguides in three-dimensional silicon photonic crystals)"라는 논문으로 발표(Guiding Light. A new fabrication technique brings us closer to optical chips(21/Jan/2008), 02414-DIG]
[그림(02414-03) : 빛 방향 조절 3차원 광학 파장가이드. 전-광 통합 칩이나 전-광 디바이스, 그리고 전-광 통신을 이끌 수 있는 빛을 가두고 방향을 마음대로 조절할 수 있는 3차원 실리콘베이스 파장가이드가 개발. Credit: Stephen Eisenmann]
[IBM, 빛에 데이터를 엔코딩하는 광학 모듈레이터(Optical Modulator)인 Supercomputers-on-a-chip 개발, 코어(core or brain)나 컴퓨터 클러스터들을 연결하는 기존의 구리선(copper wires)을 대체, 실제로 2-3센티미터 떨어진 곳으로 데이터를 전송하는데 그 속도는 구리선보다 무려 100배 빠르고 전기 소비도 1/10에 불과, Optics Express 저널 2007년 12월 호에 "초소형, 저전력, 초당 10기가비트를 빛에 엔코딩하는 실리콘 마츠-젠더 모듈레이터(Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator)"라는 논문으로 발표(Light to shrink computer clusters. Supercomputers may one day be the size of a laptop thanks to research by IBM(17/Dec/2007), 02396-DIG]
 |
[그림(02396-04) : IBM이 개발한 광학 모듈레이터(Optical Modulator). 광학 모듈레이터는 구리선의 디지털 전기신호를 일련의 광파장으로 전환하는 기능을 한다. 우선 하나의 입력 레이저 빔(왼쪽의 빨강색)이 광학 모듈레이터로 전달된다. 가운데 IBM 로고가 새겨진 검은 박스의 광학 모듈레이터는 카메라의 셔터(shutter) 역할을 하여 입력된 레이저를 출력 파장 가이드(output waveguide)로 보내야 하는지 막아야 하는지를 제어한다. 또한 노랑색의 "1" 비트의 디지털 전기신호가 왼쪽에서 도착하면, 하나의 짧은 광파장이 오른쪽의 광출력으로 통과시키고, 만약 "0"의 전기파동이 없을 경우 모듈레이터는 이를 광출력으로 보내지 않고 막는다. 이런 방식으로 이 모듈레이터는 입력된 레이저 빔을 조절하고 또한 "1"과 "0"의 디지털 비트들의 전기파장을 광파장으로 전환시킨다. 사진 : IBM]
[5년 후엔 레이저에 데이터를 저장하고 레이저로 전송하는 시대가 온다!!레이저 빛을 만드는 실리콘(Illuminating Silicon), 미국의 Intel, 2006년 9월에 실리콘과 인듐 인화물(indium phosphide)을 융합한 하이브리드 실리콘 레이저(Hybrid Silicon Laser)를 개발하더니 2007년에 들어와 이 빛을 발하는 레이저+빛에 데이터를 엔코딩하는 모듈레이터+입력되는 시그널을 감지하는 디덱터(detector)를 하나의 칩으로 통합하는 실리콘 광학 원 칩(Silicon Photonics One Chip) 개발에 박차, 앞으로 5년 안에 레이저에 데이터를 저장하고 레이저로 데이터를 전송하는 광학기기 상용화에 도전(Intel's goal is to build a single silicon chip that integrates a laser, modulator, and detector, so it can emit light, encode it with data, and register incoming signals. Optical devices made out of silicon could transform computing(17/Sep/2007), 02338-DIG]
 |
[그림(02338-07) : 2011년에 테라비트(25x40 Gbps)의 데이터를 전송하고 처리할 수 있는 광학 실리콘 통합칩의 개념도. 사진 : Intel]
[전선 없는 초고속 컴퓨터시대 온다, 인텔(Intel) 및 산타바바라 캘리포니아大 레이저빔 사용 레이저 실리콘 칩(laser-silicon chip), 빛을 발하는 인듐(In, indium) 인화물(phosphide)과 기존 실리콘의 융합인 하이브리드 칩(hybrid chip), 하이브리드 실리콘 레이저(Hybrid Silicon Laser) 개발, “와이어(전선)는 가라. 이젠 빛으로 데이터를 쏜다” 시대 열어, 2010년에 상용화 예정, 컴퓨터 디자인의 혁명 기대, 더욱 저렴하고 100배 파우어플한 국가전산망 구축 기대, 광 통신 및 광 컴퓨팅의 경쟁 가속화, 인듐이나 에르븀이냐? 광학 디바이스(photonic devices), 광전자(optoelectronics)에 도전(A Chip That Can Transfer Data Using Laser Light, Hybrid Silicon Laser(17/Oct/2006), 02214-DIG]
[소스] http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/Digital/1498.html
[Technology Review-A Record-Breaking Optical Chip(25/Jun/2008)]
|
