무어의 법칙이 느려지기 시작하면서 처리 속도의 기하급수적인 증가를 계속할 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있다. 새로운 연구에 따르면 "광파 전자 장치"로 알려진 이국적인 접근 방식이 유망한 새 길이 될 수 있다.

컴퓨터 칩의 혁신은 아직 끝나지 않았지만 지난 50년 동안 익숙해진 컴퓨팅 성능의 기하급수적인 증가가 둔화되기 시작했다는 신호가 있다. 트랜지스터가 거의 원자 수준으로 축소됨에 따라 컴퓨터 칩에 더 많이 집어넣는 것이 점점 더 어려워지고 있으며, 이는 Gordon Moore가 1965년에 처음 관찰한 추세인 숫자가 대략 2년마다 약 2배씩 증가한다는 추세를 약화시킨다. 

그러나 처리 능력의 똑같이 중요한 추세는 훨씬 더 일찍 사라졌다. "Dennard scaling"은 트랜지스터의 전력 소비가 크기에 비례한다고 명시했다. 칩이 너무 많은 전력을 소비하면 칩이 빨리 가열되고 손상되기 때문에 이것은 매우 유용한 경향이었다. Dennard scaling은 트랜지스터가 수축할 때마다 전력 소비도 감소하여 과열 없이 칩을 더 빠르게 실행할 수 있다는 것을 의미했다.

그러나 이러한 추세는 2005년에 아주 작은 규모에서 전류 누설의 영향이 증가하고 칩 클록 속도의 기하급수적인 증가로 인해 다시 풀렸다. 칩 제조업체는 작업을 더 빨리 완료하기 위해 많은 소형 프로세서가 병렬로 실행되지만 그 이후로 클럭 속도는 다소 정체된 멀티 코어 처리로 전환하여 대응했다.

그러나 이제 연구원들은 오늘날의 칩보다 100만 배 더 높은 클럭 속도를 허용할 수 있는 기술의 기초를 보여주었다. 이 접근 방식은 초고속 전기 버스트를 유도하기 위해 레이저를 사용하는 것에 의존하며 모든 컴퓨터의 기본 빌딩 블록인 가장 빠른 논리 게이트를 만드는 데 사용되었다.

소위 "광파 전자 장치"는 전도성 물질에서 전자를 여기시키기 위해 레이저 광을 사용할 수 있다는 사실에 의존한다. 연구원들은 이미 초고속 레이저 펄스가 100만분의 10억분의 1초인 펨토초 시간 척도에서 전류 버스트를 생성할 수 있음을 입증했다.

그것들로 유용한 것을 하는 것이 더 어려운 것으로 판명되었지만 Nature의 한 논문에서 연구자들은 정보 처리를 위해 이 현상을 사용하는 방법을 고안하기 위해 이론 연구와 실험 작업의 조합을 사용했다.

팀이 두 개의 금 전극 사이에 연결된 그래핀 와이어에 초고속 레이저를 발사했을 때 두 가지 다른 종류의 전류가 생성되었다. 빛에 의해 여기된 전자 중 일부는 빛이 꺼지면 특정 방향으로 계속 이동하는 반면, 다른 전자는 일시적이고 빛이 켜져 있는 동안에만 움직인다. 연구원들은 레이저 펄스의 모양을 변경하여 생성된 전류 유형을 제어할 수 있음을 발견했으며, 이는 논리 게이트의 기초로 사용되었다.

논리 게이트는 두 개의 입력(1 또는 0)을 처리하고 단일 출력을 제공하여 작동한다. 정확한 처리 규칙은 이를 구현하는 논리 게이트의 종류에 따라 다르지만, 예를 들어 AND 게이트는 입력이 모두 1인 경우에만 1을 출력하고, 그렇지 않으면 0을 출력한다.

연구원의 새로운 계획에서 2개의 동기화된 레이저가 논리 게이트에 대한 입력으로 작용하는 과도 전류 또는 영구 전류의 버스트를 생성하는 데 사용된다. 이러한 전류는 출력으로 1 또는 0에 해당하는 값을 제공하기 위해 서로를 합산하거나 상쇄할 수 있다.

그리고 레이저 펄스의 극도의 속도로 인해 결과 게이트는 오늘날 가장 빠른 컴퓨터 칩이 관리할 수 있는 기가헤르츠 속도보다 100만 배 빠른 페타헤르츠의 속도로 작동할 수 있다.

분명히 설정은 기존 논리 게이트에 사용되는 단순한 트랜지스터 배열보다 훨씬 더 크고 복잡하며 실용적인 칩을 만드는 데 필요한 규모로 축소하는 것은 엄청난 작업이 될 것이다.

그러나 페타헤르츠 컴퓨팅이 곧 만연하지는 않지만 새로운 연구는 광파 전자 장치가 컴퓨팅의 미래를 탐색할 수 있는 유망하고 강력한 새 길이 될 수 있음을 시사한다.

이미지 출처: 로체스터 대학교 / Michael Osadciw