상하이교통대·칭화대, 광자 뉴런 200만 개 집적 성공…'전기 저항 제로' 도전

한계도 뚜렷, 외부 레이저 필수·양산 공정 부재…국내선 '해태(HAETAE)' 프로젝트로 맞불

인공지능(AI) 연산의 고질적 난제인 '발열'과 '전력 소모'를 해결할 게임 체인저로 '광자(Photonics) 반도체'가 부상한 가운데, 중국 연구진이 기존 GPU 성능을 100배 상회하는 결과물을 내놓으며 글로벌 반도체 패권 경쟁에 불을 지폈다.

지난 22일(현지시간) 스페인 기술 매체 컴퓨터호이(ComputerHoy)와 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 따르면, 중국 상하이자오퉁대학교와 칭화대학교 공동 연구팀은 200만 개의 광자 뉴런을 집적한 AI 칩 '라이트젠(LightGen)'을 공개했다. 이번 발표의 핵심은 전자의 흐름 대신 빛을 활용해 연산 속도를 극대화하고 전력 효율을 엔비디아 A100 대비 100배 이상 끌어올렸다는 점이다.

'광학 잠재 공간' 도입…3D 패키징으로 집적도 한계 돌파

라이트젠은 기존 전자식 반도체의 물리적 한계인 전기 저항과 그로 인한 발열을 빛으로 해결했다.

0.25제곱인치(약 1.61㎠)의 좁은 면적에 3D 패키징 기술을 동원해 200만 개 이상의 광자 뉴런을 채워 넣었다. 이는 수천 개 수준에 머물던 기존 광자 칩의 한계를 깨고 초고집적화가 가능성을 연 것으로 생성형 AI 연산이 가능한 수준까지 올라선 것이다.

또한, 연산 효율의 혁명을 이뤘다는 평가다. 데이터를 압축해 처리하는 '잠재 공간' 작업을 빛으로 직접 제어하는 '광학 잠재 공간' 기술을 적용해 데이터를 쪼개지 않고 통째로 처리하는 메타표면 기술 덕분에 연산 단계가 획기적으로 줄어들었다.

"아직은 연구실용"…양산성과 외부 레이저 의존은 약점

압도적인 수치에도 불구하고 실제 데이터센터 현장에 즉각 투입하기에는 두 가지 결정적인 걸림돌이 존재한다.

우선 외부 광원 의존성이다. 칩 내부에서 빛을 생성하지 못하고 외부 레이저 장치에 의존해야 하므로 시스템 전체의 부피와 비용이 상승한다. 특히, 공정 호환성도 문제다. 기존 실리콘 기반 CMOS 공정과 이질적이다. 양산을 위해서는 전 세계 반도체 공급망 전체의 설비 전환이 선행되어야 하는 문제가 있다.

업계에서는 라이트젠이 GPU를 완전히 대체하기보다, 특정 고부하 연산만 담당하는 '하이브리드 광학 가속기' 형태로 우선 상용화될 것으로 내다보고 있다.

한국에 대항마는?…'해태(HAETAE) 프로젝트' 가동

중국의 '라이트젠' 공세에 맞서 한국 역시 차세대 광 컴퓨팅 주도권 확보에 사활을 걸고 있다. 본지 취재를 종합하면, 국내 연구진은 유럽과의 국제 협력을 통해 더 진화된 광자 AI 엔진 개발에 착수한 상태다.

KAIST와 ETRI(한국전자통신연구원) 등 국내 핵심 연구진은 유럽 컨소시엄과 손잡고 약 149만 유로(약 25억 원) 규모의 광자 프로세서 개발 사업인 해태(HAETAE) 프로젝트를 진행 중이다. 중국이 집적도에 집중한다면, 한국은 '이종 집적 멀티 소재 광 칩렛' 기술을 통해 실용성과 저전력 성능을 동시에 잡겠다는 전략이다.

ETRI는 최근 세계 최초로 '8광자 큐비트 집적회로 칩' 개발에 성공하며, 광자를 이용한 양자 컴퓨팅과 AI 연산의 결합 가능성을 열었다.

반도체 업계 관계자는 "중국의 광자 칩 발표는 미국의 AI 칩 수출 규제를 우회하려는 기술적 돌파구 마련의 일환"이라며 "한국도 NPU(신경망처리장치)와 PIM(지능형 메모리)을 넘어 광 반도체 분야의 'K-엔비디아' 육성을 위한 전략적 투자가 시급하다"고 지적한다.

빛으로 계산하는 시대는 더 이상 먼 미래가 아니다. 중국의 라이트젠이 던진 출사표는 대한민국 반도체 전략이 단순히 '미세 공정'에만 매몰되어서는 안 된다는 강력한 경고음이다.



박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com

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