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2018년 1월 30일 화요일

소프트 마이크로 로봇 - soft milirobot




(The soft millirobot climbs on the water meniscus by changing its body curvature and lands on the solid surface. Next, it encounters a large obstacle and traverses it fast and easily by jumping over it, and walks on the surface after landing. The dashed line shows the direction of the robot motion. Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems)


 막스 플랑크 연구소의 과학자들이 매우 재미있게 생긴 소프트 마이크로 로봇을 개발했습니다. 부드러운 몸을 지닌 해파리나 애벌레에 영감을 받은 이 밀리로봇 (millirobot)은 길어야 4mm에 불과한 얇은 테이프 같은 로봇으로 수백 마이크로미터에 불과한 좁은 공간도 통과가 가능합니다. 자체 동력원은 물론 없지만, 자기장을 이용해서 다양한 방향으로 움직일 수 있습니다. 


 연구팀은 이 로봇을 이용해서 매우 협소한 내부 공간에서도 여러 가지 조작이 가능하다고 설명했습니다. 이를 응용하면 여러 가지 제조 공정이나 내부 수리, 그리고 의학용으로 사용할 수 있는 가능성이 있습니다. 예를 들어 약물을 품은 상태에서 목표 지점까지 도달한 후 방출하는 마이크로 로봇이 가능할 수 있는 것입니다. 자세한 내용은 영상으로 보는 것이 더 이해가 빠를 것 같습니다. 




(The video presents the rolling (Fig. 2e) and straight walking locomotion modes (Fig. 2f). Subsequently, the robot demonstrates steered walking, and we show that walking is better than rolling when the robot has to cross a gap. Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems)




(The video presents the relationship between the traveling wave produced on the soft robot body and the crawling direction (Fig. 2g), and demonstrates that the robot’s crawling direc- tion can be flipped by reversing the direction of the traveling wave. Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems)


(The video demonstrates gripping, transportation and release of a cargo by the soft robot (Fig. 4c). Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems)


(The video demonstrates selectively triggered cargo release by a modified soft robot (Fig. 4d and Fig. S45). Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems)


 물론 실제 상용화 가능성은 지금 단계에서 말하기는 어렵지만, 매우 저렴하게 생산이 가능한 단순한 구조 덕분에 잘하면 여러 분야에 응용이 가능하지 않을까 생각해 봅니다. 
'

 참고 


More information: Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion, Nature nature.com/articles/doi:10.1038/nature25443

음파를 이용한 정교한 공중 부양 기술





(Credit: University of Bristol)


 앞서 소개드린 것처럼 음파의 힘을 이용해서 물체를 공중에 부양시키는 연구가 진행 중입니다. 이 기술을 응용하면 접촉없이 물체를 이동시키거나 혼합할 수 있어 여러 가지 산업적 응용이 가능할 것으로 기대되고 있습니다. 하지만 그렇게 하기 위해서는 작은 알갱이가 아니라 약간 큰 물체도 이동시키거나 고정할 수 있어야 합니다. 


 브리스톨 대학의 연구팀은 2cm 정도 되는 물체를 공중에 단단히 고정시키는 초음파 기술을 개발했습니다. 이들이 선보인 음향 트랙터 빔 (Acoustic Tractor beam)은 여러 개의 마주보는 스피커에서 발사하는 40kHz의 초음파를 이용해서 물체를 공중에 띄우고 단단히 고정합니다. 서로 반대 방향으로 회전하는 음파의 소용돌이가 물체를 마치 접착제로 붙인듯이 공중에 고정시키는 것입니다. 




(동영상) 


 영상에서 볼 수 있듯이 트랙터 빔 장치를 회전시키거나 이동시켜도 물체를 그대로 고정시키는 것을 볼 수 있는데, 산업적으로 응용하기 위해서는 이런 식의 조작이 필요하므로 흥미로운 결과라고 하겠습니다. 연구팀은 2cm 보다 더 큰 물체를 공중에 부양시켜 조작하기 위해 더 연구를 진행 중입니다. 


 앞으로 이런 기술이 일반화되면 용기 표면에 접촉하지 않은 상태에서 물질을 다룰 수 있기 때문에 고순도의 화합물 제조나 약품 제조 등에 활용될 수 있을 것으로 생각됩니다. 미래 응용이 기대되는 기술이라고 하겠습니다. 


 참고 


미해병대 M27을 주력 소총으로 채택



(Lance Cpl. Zachary A. Whitman familiarizes himself with the M27 infantry automatic rifle in preparation for the Australian Army Skill at Arms Meeting 2012. AASAM is a multilateral, multinational event allowing Marines to exchange skills tactics, techniques and procedures with members of the Australian Army, as well as other international militaries in friendly competition. Whitman is a marksman with the III Marine Expeditionary Force detachment. Sergeant Brandon L. Saunders, United States Marine Corps)

(A U.S. Marine armed with an M27 fitted with a Harris bipod and a 3.5x Squad Day Optic covers his team in Afghanistan in March 2012. Cpl. Alfred V. Lopez, U.S. Air Force)


 미 해병대가 지난 2010년 M249 분대자동화기를 대체하기 위해서 도입한 M27 ISR을 모든 해병대원에 확대도입한다고 발표했습니다. 현재 해병대가 사용하는 M4 카빈을 모두 M27로 대체한다는 것인데 한 정당 3000달러나 되는 고가의 제품인 점을 생각하면 그 가격을 상쇄하고도 남는 장점이 있다는 이야기일 것입니다. 


 M27 ISR은 Heckler & Koch HK416 베이스로 개발된 소총으로 HK416 패밀리 중에서는 중간 크기 총열(barrel, 총신)인 420mm 총열을 사용하고 있습니다. 무게는 탄창과 다른 부속품을 결합하지 않았을 때 3.6kg 정도입니다. M4 대비 약간 무겁지만, 대신 총열 자체가 길고 두꺼워 M4보다 과열에 강하며 사거리 및 정확가 높은 장점을 지니고 있습니다. 


 M4가 좋은 소총이긴 하지만, 연발 사격을 할 때는 열에 취약한 모습을 보였는데 비해 M27은 가스작동식인 M4와 달리 가스피스톤 방식과 더 길고 튼튼한 총열을 사용해 열에 강한 변모를 지고 있습니다. 본래 M249 같은 분대자동화기를 대체할 목적으로 개발되어서 그런 것도 있지만, 아무튼 이런 이유로 인해 1200달러 정도인 M4 대비 몇 배 비싼데도 주력 화기로 결정된 것 같습니다. 




(동영상) 


 이와 같은 결정에는 2011-2012년 사이 아프간 전에서의 성과가 반영된 것으로 생각됩니다. M27은 M249 대비 매우 가볍지만 더 정확도가 높고 유효 사거리가 길어서 여로 모로 병사들이 선호하는 무기였다고 합니다. 동시에 M4와 유사한 외형 덕분에 적군이 누가 기관총 사수인지를 알 수 없다는 점 역시 장점입니다. 유지 보수가 M249보다 쉬운 점은 말할 필요도 없습니다. 급탄 방식이 벨트가 아닌 탄창 방식인 점 역시 야전에서 편리한 장점 중 하나라고 합니다. 장전이 편리한 건 물론이고 M4 사수와도 쉽게 교환이 가능하기 때문입니다. 

  
 물론 한 번에 총탄을 쏟아부을 때는 M249가 낫기는 하겠지만, 그외에 단점이 더 많았기 때문에 M27이 큰 호평을 받았다고 하네요. 그렇다면 굳이 M4와 M249를 혼용할 필요없이 M27 한 종류로 통합하는 것이 더 효과적인 방법일 것입니다. 


 그래도 그렇게 싼 총이 아닌데 멀쩡한 M4 두고 교체를 진행한다니 역시 미국이 돈이 많다는 점을 다시 느끼게 하는 이야기 같습니다. 


 참고 



2018년 1월 29일 월요일

무어의 법칙은 끝났을까? (5)





  앞서 포스트들에서 최근 10년간 소비장용 CPU 성능 향상이 둔화된 중요한 원인으로 시장 독점 구조를 설명했습니다. 여기에 대해서 공감을 표시하는 댓글과 더불어 사실 공정 미세화에 따른 문제점도 있다는 이야기가 나왔는데, 사실 이 점 역시 무시할 수 없는 요소입니다. 


 공정 장벽이라는 용어는 사실 정식 용어가 아니라 제가 설명의 편의를 위해서 사용한 말이지만, 공정 미세화에 따른 어려움이 프로세서 성능 향상에 큰 장벽처럼 작용하는 것은 사실입니다. 그리고 이로 인해 고전적인 의미의 무어의 법칙은 사실 끝났다고 보는 것이 맞을 것입니다. 이 이야기로 연재 포스트를 마무리 할까 합니다. 


 - 공정 미세화 


 당연히 현대적인 반도체는 매우 복잡한 공정으로 제조됩니다. 기본적으로 설명하면 얇은 실리콘 위에 매우 미세한 회로를 새기기 위해 리소그래피라는 방식을 사용합니다. 강한 빛이나 전자빔으로 표면을 선택적으로 없애 회로를 새기는 방식이죠. 하지만 리소그래피는 반도체 제조 공정의 한 단계이고 이것이 반도체 제조의 전부를 이야기하지는 않습니다. 좀 된 영상이지만, 여기에 대해서 잘 설명한 영상이 있어 아래에 소개합니다. 



(동영상) 


 아무튼 여러 단계를 거쳐서 실리콘 웨이퍼 표면에 매우 미세한 회로를 새기는데 당연히 회로의 크기가 줄어들수록 정확히 새기기가 어렵습니다. 지금까지 수많은 기술적 어려움이 있어왔지만, 제조사들은 여러 가지 방법을 동원해서 공정 미세화의 장벽을 뚫어왔습니다. 하지만 대략 100nm 이하 미세 공정은 제조 공정이 복잡해지는 데다 리소그래피 (노광장치) 등 핵심 장비의 비용이 급상승하는 것으로 알려져 있어 웬만한 자본력을 갖춘 기업이 아니고서는 뛰어들기가 쉽지 않습니다. 


 이런 이유로 미세 공정일수록 대기업만 남게 되는 현상이 발생합니다. GPU 생산 부분에서도 65nm 공정까지는 TSMC 이외에 다른 파운드리도 있었으나 40nm 공정 이하에서는 사실상 TSMC 가 독점하는 현상이 일어난 이유가 여기에 있습니다. 메모리 부분에서도 삼성, SK 하이닉스, 마이크론 등 몇 개 기업만 남은 이유도 설명해줄 수 있습니다. 


 하지만 막대한 자본력과 기술력을 지닌 대기업이라도 미세 공정의 벽은 뚫기 쉽지 않습니다. TSMC의 경우 2010년 40nm 공정을 도입할 때 이 문제가 불거졌습니다. 미세 공정 양산도 어려운데 엔비디아와 AMD에서 주문한 GPU가 워낙 큰 빅칩이라서 제조가 매우 어려웠던 것입니다. 그 결과 신제품 출시가 계속 지연되거나 수량이 불충분해 당시에 원성이 자자했습니다. 


 2012년에 28nm 공정 도입은 이보다는 순조롭게 이어졌지만, 28nm 이하 GPU가 등장하기 전까지는 역시 오랜 시간이 걸렸습니다. 16nm FinFET 공정의 GPU가 등장한 것은 4년 후인 2016년이었습니다. 16nm 공정을 개선한 공정인 12nm 공정은 그 다음해에 등장했지만, 전에 설명했던 대로 웨이퍼 처리 공정 중 후처리 부분에 속하는 BEOL (Back end of line) 공정을 개선한 것이었습니다. ( https://blog.naver.com/jjy0501/220963311135 참조) 


 인텔의 경우에도 다르지 않은데, 특히 인텔은 14nm 공정에서 10nm 공정으로 넘어가는 과정에서 상당한 지연이 발생하고 있습니다. 65->45->32->22nm 공정까지는 어느 정도 문제가 없었는데, 14nm 공정 도입에서 한 번 지연되었다가 10nm 공정은 엄청나게 지연되고 있습니다. 


(과거 인텔의 로드맵, 출처: 인텔 )


 과거 인텔 로드맵에서는 2011년 22nm 공정 도입후 2013년 14nm 공정 도입, 2015년 10nm 공정 도입, 그리고 2017년 7nm 공정 도입을 예상했으나 2018년 현재 14nm 공정까지만 실제로 진행되었고 7nm 이하는 예정도 알 수 없는 상태가 되었습니다. 공정 미세화에 따른 어려움을 제조사조차도 완전히 파악하기 어려웠다는 이야기입니다. 


 아무튼 이로 인해 인텔은 브로드웰/스카이레이크/카비레이크/커피레이크 (5-8세대) 프로세서를 모두 14nm 공정에서 생산할 수밖에 없었는데, 비록 14nm, 14nm+, 14nm++로 공정을 조금씩 개선하긴 했지만, 과거 인텔에서는 보기 어려운 모습이라고 할 수 있습니다. 과거에도 공정을 개선해서 1년 후에는 트랜지스터 밀도를 더 높인 경우가 많았지만, 이걸 90nm+ 식으로 표현한적은 없었기 때문입니다. 사실 TSMC의 12nm 공정 역시 비슷한 경우라고 할 수 있습니다. 


 그렇다고 반도체 제조사들이 팹에 대한 투자를 게을리하거나 혹은 연구에 집중하지 않는 것은 아닙니다. 앞서 포스팅 한 것처럼 주요 제조사들은 미세 공정을 도입하기 위해서 천문학적인 투자를 진행 중입니다. 다만 그래도 쉽지 않은 장벽이라는 것이죠. 물론 이와 같은 노력으로 10nm의 벽을 뚫고 더 미세 공정 도입이 가능할 것입니다. 


 미세 공정의 벽을 뚫을 무기 가운데 하나는 바로 새로운 리소그래피 장치입니다. 극자외선 (EUV) 리소그래피 장치는 현재 사용되는 193nm 장비 대신 13.5nm의 짧은 파장을 이용해서 더 미세한 회로를 새길 수 있습니다. 다만 이렇게 짧은 파장의 노광장치가 안정적으로 작동하게 만드는 일은 엄청난 기술적 어려움이 있었습니다. 그래서 반도체 업계가 협력해 새로운 차세대 노광장비를 개발했고 이제 상용화 단계에 이르렀습니다. 




 주요 반도체 제조사들은 7nm 팹에서 이 EUV를 도입할 것이며 5nm 공정까지는 무난하게 통과가 가능할 것이라고 생각하고 있습니다. 하지만 이전에도 그런 것처럼 생각보다 7nm 공정에 돌입하기 어려울 수도 있고 5nm 공정 이전도 생각처럼 되지 않을 수도 있습니다. 그리고 마지막으로 사실 5nm 이하의 초미세 공정에서 제조된 반도체가 의도대로 작동하게 하는 일 역시 만만치 않을 것입니다. 그전에도 그랬던 것처럼 미세 공정 관련해서 새로운 소식이 들어오면 다시 포스팅 하게 될 것 같습니다. 


 - FinFET/3D 트랜지스터 


 공정 미세화에 따른 문제점은 셀 수 없을 정도로 많다고 합니다. 사실 우리가 지금 주변에서 사용하는 CPU와 스마트폰 AP, GPU 들은 모두 이 문제를 극복한 결과물로 결코 쉽게 만들어진 것이 아닙니다. 앞서 이야기 했듯이 회로 선폭을 줄여 미세한 회로를 만드는 것 자체도 쉽지 않지만, 이렇게 만들어진 회로가 정상적으로 작동하게 만드는 일도 쉽지 않습니다. 


 회로 폭이 너무 줄어들면 이제 이 회로로 충분한 전자가 지날 수 없게 되어 주변으로 전자가 빠져나가는 누설 전류 문제가 생기게 됩니다. 이 문제는 특히 32/45nm 공정에서 이슈가 되었습니다. 반도체 제조사들은 여러 가지 방법으로 이 문제를 극복하기 위해 노력했는데, 가장 큰 효과를 거둔 방법은 멀티게이트 방식의 트랜지스터입니다. 과거의 평면(planer) 트랜지스터는 사실 2차원적으로 회로를 만들었다면 이제는 3차원적으로 입체 게이트를 만드는 것입니다. 상세한 내용은 몇 년전 기술한 3D 트랜지스터 관련 포스트에 있습니다. 






 (왼쪽의 전통적인 평면 트랜지스터이고 오른쪽이 3D 혹은 Trigate 트랜지스터. 출처: 인텔) 



 인텔 이외의 제조사들은 FinFET 방식을 사용하고 있는데 이 둘은 개념적으로 유사한 멀티게이트 기술이라고 합니다. 아무튼 인텔은 22nm에서 이 방식을 도입해 누설 전류 문제를 극복했으며 삼성, TSMC 등 다른 제조 역시 10/14/16nm 공정에서 이를 도입해 공정 미세화에 따른 문제를 극복했습니다. 하지만 이 역시 문제를 완전히 해결했다기 보다는 완화시켰다고 할 수 있을 것입니다. 


 (22/14/10nm 공정의 단면. 회로 선폭이 좁아짐에 따라 전자가 지날 수 있는 공간 확보를 위해 점점 높아지는 모습을 볼 수 있음. 출처: 인텔)


 아무튼 이런 방법으로 계속 미세 공정을 개발하면서 인텔은 10nm 공정에서는 1x1mm 공간에 1억개의 트랜지스터를 집적하는데 성공했다고 발표했습니다. 이 주장대로면 14nm 대비 2.7배 정도 기록 밀도가 증가했다고 볼 수 있습니다. 따라서 인텔의 10nm 공정이 실제로 도입되면 과거보다 트랜지스터 숫자가 훨씬 많은 빅칩을 볼 수 있게 될 것입니다. 


 앞서 이야기했듯이 인텔은 22nm 공정에서 18개, 14nm 공정에서 최대 30개의 범용 x86 코어를 집적하는 데 성공했습니다. 10nm 공정에서는 40-50개 이상의 코어를 집적할 수 있을 것으로 보이지만, 일반 사용자용 CPU의 코어를 몇 개까지 늘릴지는 역시 시장 상황에 따라 달라질 것으로 보입니다. 


 만약 AMD의 라이젠이 7nm 공정으로 이전하면서 코어 수를 더 늘리고 성능도 향상시킨다면 메인스트림 8코어 프로세서 등장은 시간 문제일 것입니다. 이미 지금 14nm 공정으로도 충분히 가능한 일이니까요. 다만 그렇게 되면 지금 더 비싸게 파는 상위 라인업이 꼬이게 되므로 경쟁사의 CPU 상황을 봐가면서 조절을 할 것으로 예측됩니다. 


 공정 미세화에 의한 문제는 물론이고 칩의 크기가 커지면서 생기는 문제까지 아직 이야기 하지 않은 문제가 더 있기 때문에 이를 다음에 기술하고 이번 연재 포스트를 마칠까 합니다. 아래 영상은 참고로 3D 반도체에 대한 이야기인데, 3D 낸드나 HBM 같은 적층형 메모리에 대해서도 소개하고 있습니다. 이 역시 공정 한계를 극복하기 위한 방법이라고할 수 있습니다. 




 참조 : 3D 반도체 기술 (동영상) 





위험 수위에 도달한 인(phosphorus) 오염



(Algal blooms can present problems for ecosystems and human society. A new study suggests freshwater bodies in areas with high water pollution levels are likely to suffer from excess nutrient levels that can lead to algal blooms. Credit: Felix Andrews (Floybix) – Own work, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

(Share of major product categories (left) and regions (right) in the global man-made phosphorus load to fresh water from 2002 to 2010. Credit: Mekonnen et al./WRR/AGU.)

(Water pollution level per river basin related to human-induced phosphorus loads from the agricultural, industrial and domestic sectors from 2002-2010. Basins with a WPL above one received more phosphorus than they could assimilate. Credit: Mekonnen et al./WRR/AGU.)


 전 세계적으로 수질 오염과 녹조류 증식이 문제가 되고 있습니다. 인구가 증가하면서 여러 가지 용도로 물을 끌어 쓰는 데다 생활 하수는 물론 농업에 사용되는 비료, 축산업 폐기물 등 영양염류가 풍부한 물이 하천과 호수로 유입되면서 오염이 심해지는 것입니다. 아이러니한 부분은 이런 오염 물질이 사실은 나쁜 독성 물질이 아니라 생물이 살아가는 데 필요한 영양분이라는 점입니다. 


 예를 들어 인(phosphorus)은 사람을 포함한 많은 생물체에서 없어서는 안될 중요한 영양성분이지만, 그렇기 때문에 과도한 양이 물로 들어가면 심각한 수질 오염을 일으킬 수 있습니다. 이를 이용해서 특정 생물, 예를 들어 조류(algae)가 이상 증식할 수 있기 때문입니다. 


 최근 저널 Water Resources Research에 발표된 논문에서 네브라스카 대학의 Mesfin M. Mekonnen을 비롯한 연구팀은 인간이 담수 환경으로 배출하는 인의 양을 1조 4700억 그램 (147만톤)으로 추정했습니다. 인구 밀집 지대를 중심으로 강과 호수에 배출되는 인의 양이 상당하다보니 이로 인해 수질이 악화되고 녹조 현상이 심해지는 것은 어쩔 수 없는 결과일 것입니다. 문제는 이렇게 수질 오염이 심화되면 생태계 파괴는 물론 식수 공급에 어려움을 겪는다는 점입니다. 


 앞서 소개한 것처럼 사실 전세계적으로 녹조 현상이 심해지는 것은 여러 가지 이유가 있습니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 증가했고, 댐과 저수지, 제방 등이 증가하면서 고여 있는 물이 늘었으며 마지막으로 인 같은 영양염류의 증가로 조류가 증식할 이상적인 환경이 갖춰진 것이 복합적인 이유입니다. 이런 상황에서는 물의 흐름을 막는 일은 신중하게 결정해야 하지만, 많은 국가에서 개발 논리에 의해 마구잡이 식으로 저수지와 댐이 건설되면서 앞으로도 녹조 현상은 더 심해질 것으로 보여집니다. 


 아마도 이런 현상을 완전히 막을 수는 없겠지만, 정책적으로 줄일 수 있는 여지는 있을 것입니다. 깨끗한 호수 및 하천 생태계를 유지하는 일은 우리 모두에게 중요할 것입니다. 


 참고 


Mesfin M. Mekonnen et al, Global Anthropogenic Phosphorus Loads to Freshwater and Associated Grey Water Footprints and Water Pollution Levels: A High-Resolution Global Study, Water Resources Research (2017). DOI: 10.1002/2017WR020448 

9000년 전 소녀의 모습을 복원하다.



(The final reconstruction. Credit: Oscar Nilsson)


 그리스 아테나 대학과 스웨덴 연구자들이 1993년 발견된 선사 시대 소녀의 모습을 마치 살아있는 것처럼 복원하는데 성공했습니다. 이 유골은 그리스의 테살리아 지역의 테오페트라 동굴 (Theopetra Cave)에서 발견된 것으로 연대는 9000년 전으로 추정됩니다. 유골의 주인공은 15-18세 사이의 소녀로 정확한 사인은 알 수 없으나 괴혈병, 빈혈, 관절 질환을 앓고 있었던 것으로 확인되었습니다. 


 이 소녀가 살았던 시기는 유럽 지역에서 수렵 채집인이 초기 농경으로 이전하는 시기였습니다. 다른 시기와 마찬가지로 이 시기의 사람들도 젊은 시절에 다양한 질환에 시달렸을 것이며 평균 수명 역시 매우 짧았을 것입니다. 비록 젊은 나이에 죽기는 했지만, 당시에는 이런 경우가 드물지 않았을 것이라는 이야기죠. 


 아무튼 문명의 새벽에 해당하는 시점에 살았기 때문에 이 소녀는 Dawn (그리스어로는 Avgi)라고 이름지어졌다고 합니다. 연구팀은 유골에 대한 상세한 스캔과 3D 프린팅 기술을 적용해서 살아있을 당시의 모습을 매우 현실적으로 복원했습니다. 그리고 그 결과 나타난 모습은.... 당시의 거친 환경을 보여주는 듯 합니다. 긴 턱은 당시를 살았던 사람이 대부분 그랬듯이 질긴 먹이를 오래 씹기 위한 것으로 보입니다. 


 강하고 억센 10대 소녀(?)의 모습은 당시 살아남기 위해서는 강해야 했다는 점을 말해주는 듯 합니다. 이렇게 억세보이는 주인공이라도 당시에는 전염병이나 혹은 기아에서 자유롭지는 못했기 때문에 결국 평균 수명은 길지 못했겠죠. 외모 만으로 평가해서는 안되겠지만, 당시의 거친 시대상을 보여주는 듯 해 흥미롭습니다. 


 참고 


2018년 1월 28일 일요일

자동화 수경 재배 시스템 - Viscon Hydroponis



 다른 인터넷 서비스들과 마찬가지로 유튜브는 사용자가 선호할 만한 동영상을 추천해주곤 하는데, 종종 괜찮은 영상을 찾아주기도 합니다. 이 영상 역시 마찬가지인데, 개인적으로 자동화에 관심이 많아서 이런 영상을 보면 꽤 관심이 가기 때문입니다. 영상에 나오는 Viscon Hydroponis는 네덜란드의 수경 재배 전문 회사라고 하는데, 극도로 자동화된 온실에서 수경재배를 통해 작물을 재배하는 데 앞서 기술을 지니고 있는 듯 합니다. 역시 영상을 봐야 더 이해가 쉽겠죠. 

(동영상) 


 저는 농업쪽으로는 잘 모르기 때문에 이런 시스템이 일반적인지 여부는 잘 모르겠지만, 이 정도로 첨단 자동화 농장은 아마도 흔하게 보는 것은 아닐 것 같습니다. 영상만 보면 미래 사회를 묘사한 SF 영화라고 해도 믿을 정도네요. 물론 사람의 노동이 전혀 필요하지 않은 것은 아니지만, 앞으로 거의 100% 자동화 무인 농장이 등장한다고 해도 놀랍지 않은 영상인 것 같습니다. 


 참고 


아르헨티나 개미의 성공 비결 - 화학 무기



(Using an action called gaster bending, Argentine Ants dab irritant chemicals onto their opponent's body. Credit: University of California, Riverside)


 아르헨티나 개미(Argentine ant)는 본래 남미의 파라냐 강(Paraná River)에 살던 지역 개미였지만, 인간과 함께 전 세계 여섯 대륙으로 퍼져 이제는 지구를 정복한 외래종이 되고 있습니다.이 개미는 콜로니당 여러 마리의 여왕개미를 지닌 데다 영구적인 개미굴을 짓는 대신 떠돌아다니는 특징 때문에 박멸이 어려운 것으로 유명합니다.


 그래도 이 개미가 방랑생활을 즐기기만 하면 지금처럼 유명해지지는 않았을 것입니다. 이 개미는 매우 공격적인 것으로 유명하며 다른 개미 군락을 공격할 뿐 아니라 먹이와 다른 자원을 빼앗아 파괴적인 외래 침입종으로 알려져 있습니다.


 최동환 교수(Dong-Hwan Choe, an assistant cooperative extension specialist and assistant professor of entomology in UCR's College of Natural and Agricultural Sciences)가 캘리포니아 대학의 연구팀은 아르헨티나 개미의 다른 성공 비결을 하나 더 발견했는데, 그것은 복부(gaster)에서 방출하는 화학 물질입니다. 


 배를 구부려서 분비하는 이 물질 (사진)은 적을 공격하는데 사용되는데, 사실 그 자체로는 강력한 독은 아닙니다. dolichodial, iridomyrmecin라는 두 가지 화학물의 혼합물로 상대방에게 자극과 더불어 방향 감각 상실을 일으킵니다. 더 중요한 것은 이 물질이 다른 아르헨티나 개미를 끌여들여 집단 공격을 유발한다는 점입니다. 즉 화학 물질을 이용해서 합동 공격을 하는 셈입니다. 물량 앞에서는 장사 없기 때문에 더 큰 토착 개미도 이들 앞에서 속수무책으로 당하게 됩니다. 


 연구팀은 아르헨티나 개미의 습성을 연구하는 것이 이 개미로 인한 피해를 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 다행히 사람을 공격하는 개미는 아니지만, 대신 토착 개미와 다른 곤충을 공격해 생태계를 교란해서 농작물에 피해를 주기 때문입니다. 이 물질을 무력화하거나 반대로 이를 사용해서 혼란을 유발해서 다른 곤충에 피해없이 이 개미만 구제하는 방법이 개발될 수 있을지 궁금합니다. 


 참고


Kevin F. Welzel et al, Verification of Argentine ant defensive compounds and their behavioral effects on heterospecific competitors and conspecific nestmates, Scientific Reports (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-19435-6


2014-2016년 사이 기온 상승 규모는 1900년 이후 최대



(2016 is officially the new warmest year on record, edging out previous record holder 2015 by 0.07°F, according to the National Oceanic and Atmospheric Administration. 2016 was the third year in a row that global average surface temperature set a new record. Credit: NASA)


 우리는 2014년에서 2016년 사이에는 보기 드물게 최고 기온 기록이 연속으로 세워지는 급격한 온도 상승을 경험했습니다. 2017년엔 다소 주춤했지만, 그래도 역대 2위를 기록하며 여전히 지구 기온이 올라갔다는 사실을 보여줬습니다. 


 애리조나 대학의 Jianjun Yin 교수와 조나단 오버펙 (Jonathan Overpeck)은 1900년 이후의 온도 변화 기록을 다시 조사해서 2014-2016년 사이의 온도 증가가 얼마나 이례적인지를 연구했습니다. 이들에 의하면 1900년부터 2013년 사이 온도 변화는 섭씨 0.9도 증가였습니다. 하지만 2014-2016년 사이에는 불과 3년만에 0.24도가 증가했습니다. 이는 1900년 이후 최대 수준이며 사실상 지구 평균 기온을 측정한 이후 최고 수준이라고 할 수 있습니다. 


 이와 같은 온도 점프(jump)는 앞으로도 일어날 수 있을 것입니다. 연구팀은 이런 급격한 온도 증가가 앞으로 얼마나 자주 생길지도 연구했습니다. 연구팀은 네 가지 온실 가스 배출 시나리오를 토대로 시뮬레이션을 진행했습니다. 그 결과 2020년부터 온실 가스 배출이 줄어드는 베스트 시나리오에서는 2100까지 0-1회 정도 가능성이 있는 것으로 나타났습니다. 


 반면 온실 가스 배출이 줄어들지 않는 시나리오에서는 3-9회 정도 0.24도 상승 이벤트가 있는 것으로 나타났습니다. 이는 이미 온도가 많이 오른 상태에서 급등하는 것이기 때문에 지구 환경과 우리에게 미칠 영향이 매우 클 것으로 예상됩니다. 이를 막기 위해서는 지금 온실 가스 배출을 줄여야 하지만, 당장에 급격한 감소는 쉽지 않을 것입니다. 


 과연 파리 기후 협약이 제대로 먹혀들 수 있을지 궁금해지는 연구 내용이라고 할 수 있습니다. 


 참고 



Jianjun Yin et al, Big Jump of Record Warm Global Mean Surface Temperature in 2014-2016 Related to Unusually Large Oceanic Heat Releases, Geophysical Research Letters (2018). DOI: 10.1002/2017GL076500


2018년 1월 27일 토요일

무어의 법칙은 끝났을까? (4) - 공정 미세화에 의한 이득은 누가 가져갔을까?




 사실 소비자용 컴퓨터 프로세서의 성능 개선은 2006년 이후로 거의 일어나지 않았으며 이것은 소비자측의 수요가 감소했기 때문이라는 주장에 대해서 반박하기 위해 글을 작성하고 있지만, 그러면서 알게된 여러 가지 흥미로운 내용 역시 공유하지 않을 수 없습니다. 


 지난 10년 간 데스크탑 및 노트북 CPU의 발전이 정체된 이유는 여러 가지이지만, 인텔의 독점이 큰 요인 중 하나라고 믿는 이유는 간단합니다. 그외 분야에서는 무어의 법칙만큼은 아니지만, 이 보다는 빠른 발전이 있어왔기 때문입니다. 앞서 살펴봤듯이 GPU 부분에서는 10년 간 20배의 연산 능력 증가가 있었으며 서버용 CPU 부분에서도 상당한 트랜지스터 집적도 증가가 이어지고 있습니다.  


 일반적으로 반도체의 제조 공정이 미세해지면 같은 면적의 웨이퍼에 더 많은 제품을 생산할 수 있거나 반대로 더 트랜지스터 집적도가 높은 제품을 생산할 수 있게 됩니다. 예를 들어 과거에는 웨이퍼당 100개 생산하던 프로세서를 공정 미세화를 통해서 200개 생산할 수 있게 되는 것이죠. 물론 공정 미세화 과정에서 비용이 추가로 들지만, 대개는 상쇄할 수 있어서 공정이 미세한 쪽이 생산 단가가 저렴합니다. 


 이런 문제가 극명하게 보이는 쪽은 메모리 분야입니다. 메모리는 제조사별로 구조가 다를 수 없는 물건이라 아키텍처보다는 제조 공정으로 승부를 볼 수 밖에 없는데, 적어도 지금까지는 공정이 미세한 쪽이 항상 유리했습니다. 그런데 미세 공정을 가졌단 이야기는 결국 엄청난 투자 비용이 드는 미세 공정에 투자할 여력이 된다는 뜻으로 이런 회사는 몇 개 되지 않습니다. 이 이야기는 메모리 전쟁에서 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등 몇 개 회사만 살아남게 된 이유를 설명해줍니다. 


 분야가 다르지만, 사실 프로세서 역시 마찬가지입니다. 공정이 미세화되면 제조 단가는 상대적으로 줄어들게 되어 있습니다. 이를 역으로 유추하면 트랜지스터 집적도는 크게 증가하지 않았는데, 공정이 미세해지면 제조사는 같은 웨이퍼에서 훨씬 많은 CPU를 생산해 미세 공정 도입에 따른 비용을 상쇄하거나 혹은 더 많은 이윤을 낼 수 있습니다. 


 이 이야기를 인텔 CPU에 적용해보겠습니다. 2008년 등장한 네할렘 아키텍처의 인텔 쿼드 코어는 상당히 큰 크기였습니다. 린필드와 클락스필드의 경우 296㎟, 블룸필드의 경우 263㎟로 작지 않은 프로세서였습니다. 트랜지스터 집적도도 7억3100만개에 달했습니다. 샌디 브릿지는 45nm 공정에서 32nm 공정으로 이동하면서 내장 그래픽을 포함하고도 다이 사이즈가 216㎟으로 감소했습니다. 


 22nm 공정 아이비브릿지의 경우 16 EU 내장 그래픽 기준 160㎟으로 감소했고 14nm공정인 브로드웰/스카이레이크/카비레이크에서는 100㎟ 초반대까지 감소했습니다. 4+2 구성의 카비레이크 7700K의 경우 125㎟로 과거 듀얼 코어 만큼이나 크기가 감소했습니다. 따라서 같은 웨이퍼에서 훨씬 많은 제품을 만들 수 있고 이는 제품 제조 단가 인하로 이어질 것입니다. 


 물론 미세 공정 자체가 비싸기 때문에 이로 인한 비용 상승을 고려하면 생각보다 이득이 크지 않을 수 있지만, 지난 몇 년간 인텔이 계속해서 점점 더 많은 매출과 수익을 거둔 점을 고려하면 그렇게 손해보는 장사는 하지 않았을 것이란 추정이 가능합니다. 동시에 공정 미세화가 지연되면서 공정을 개량해서 오래 사용하고 있기 때문에 공정 미세화에 따른 비용 상쇄가 가능하단 점도 있습니다. 


 아무튼 이렇게 좋은 시절을 보낸 인텔이지만, 2017년 AMD가 라이젠을 들고 나오자 상황이 바뀌기 시작했습니다. 인텔보다 훨씬 많은 코어를 제공하는 경쟁자를 따돌리기 위해 인텔은 급하게 6코어 커피레이크와 18코어까지 늘어난 스카이레이크 X를 투입했습니다. 그러면 6코어 커피레이크를 제조하기 위해 들어간 추가 비용은 얼마일까요? 




 아난드텍에 의하면 커피레이크 6코어의 다이 사이즈는 151㎟ 로 카비레이크 4코어 대비 26㎟ 정도 밖에 커지지 않았습니다. 따라서 인텔이 브로드웰에서 6코어 제품을 도입했더라도 사실 엄청난 비용 증가가 있었던 것은 아니라고 해석할 수 있습니다. 그렇게 하지 않은 이유는 당연히 6코어 이상의 CPU를 비싸게 팔기 위한 것이죠. 참고로 다이 사이즈가 1.5배가 아닌 1.2배 증가한 이유는 CPU의 절반이 코어가 아니라 내장 그래픽 및 메모리 컨트롤러, I/O 관련 부분이기 때문입니다.


 이런 점을 감안할 때 앞으로 차기 메인스트림 제품에 8코어를 넣을 것이라는 추측도 가능합니다. 다만 기술적으로 큰 문제가 없다고 해도 꼭 그래야 할지는 시장 상황이 결정할 것입니다. AMD의 차기 라이젠 프로세서의 위협이 크지 않다면 인텔의 하이엔드 CPU 판매에 위협이될 저렴한 8코어를 판매하는 것은 손해기 때문입니다.  


 스카이레이크 X는 어떨까요? 스카이레이크 X는 서버 영역에 투입할 예정이었던 스카이레이크 SP 프로세서를 데스크탑 쪽으로 돌린 것입니다. 앞서 포스팅 했듯이 스카이레이크 SP는 3종류의 다이가 있으며 각각 12코어 (3x4), 20코어 (4x5), 30 (5x6)코어 구성입니다. 정확한 트랜지스터 숫자는 공개되지 않았으나 다이 사이즈는 각각 322/484/698㎟ 라는 사실이 알려져 있습니다. 24코어 브로드웰 대비 상당히 커진 다이를 감안하면 30코어 XCC의 트랜지스터 숫자는 거의 100억개에 육박할 것입니다.



(스카이레이크 X에 사용된 20코어 HCC의 다이 샷)  


 브로드웰 E/EP에 사용된 다이 역시 3 종류로 각각 10/15/24개의 코어를 내장하고 있습니다. (물론 다 활성 코어는 아님) 다이 사이즈는 246/306/456㎟ 이며 트랜지스터 집적도는 34/47/72억개입니다. 14nm 공정 덕분에 과거 네할렘 쿼드 코어보다 약간 큰 다이에도 15개의 코어를 집적할 수 있게 된 것입니다. 


(브로드웰 EP의 다이 구조. 클릭하면 원본 ) 


 새로운 메쉬 구조를 도입하면서 스카이레이크 X에서 다이 사이즈가 좀 커지긴 했지만, 10코어 이상의 빅칩을 양산하는 것 자체는 사실 기술적으로 어렵지는 않을 것입니다. 30코어 다이도 찍는 마당에 그게 불가능하거나 힘들 이유는 없을 것입니다. 하지만 라이젠과 쓰레드리퍼를 잡기 위해 너무 저렴한 가격에 내놓으면 이제는 인텔의 하이엔드 서버 프로세서 판매에 큰 영향을 줄 수 밖에 없습니다. 결국 인텔이 택한 해법은 쓰레드리퍼를 겨냥해 스카이레이크 X를 내놓되 가격을 높이는 고육지책입니다. 


 다소 옆길로 샜지만, 본론으로 돌아와서 공정 미세화에 따른 비용 절감의 이점은 사실 지닌 몇 년간 CPU 제조사가 가져갔다고 할 수 있을 것입니다. 데스크탑 메인스트림 부분에서는 코어를 2개 정도 더 넣어도 심각한 제조비용 상승으로 이어지지 않을 만큼 제조 공정이 미세화되었음에도 불구하고 인텔은 메인스트림 쿼드코어라는 자신의 공식을 고집했습니다. 이는 65nm 공정 켄츠필드에서 14nm공정 카비레이크까지 이어졌지만, 라이젠이 이 공식을 깨버렸습니다. 라이젠 출시 반년 만에 인텔은 6코어 커피레이크를 긴급하게 투입했고 더 상위 모델의 코어 숫자를 크게 늘려 AMD의 공세에 대비했습니다. 


 이는 데스크탑 부분에서 코어 숫자가 더 늘어나지 않았던 중요한 이유가 바로 시장 독점 때문이라는 중요한 증거입니다. 싱글 코어 성능을 크게 올릴 수 있던 시절은 지났고 코어를 더 많이 늘리는 것이 새로운 성능 향상 비법이 된 시점에서 이는 의도적으로 CPU 성능 발전을 막은 것이나 다를 바 없습니다. 인텔은 서버 영역에서 엄청난 숫자의 x86 코어를 집적할 수 있는 기술을 확보했지만, AMD의 공세가 강해질 때까지 이를 일반 소비자에게 합리적인 가격으로 판매할 생각을 하지 않았습니다. 


 일단 이 이야기는 여기까지로 마무리하고 다음에는 미세 공정에 따른 문제와 제조사의 대응책에 대해서 이야기 해보겠습니다. 


 참고