초전도 현상은 낮은 온도에서 저항이 0 이 되는 매우 독특한 현상입니다. 따라서 초전도 회로를 구성할 수 있다면 대단히 유용한 특징들을 가지게 될 것입니다. 저항이 0 이므로 전력 소모는 극도로 적을 수 밖에 없으며 열로 사라지는 전력이 없으므로 발열도 존재하지 않습니다. 초전도 프로세서가 있다면 동작 클럭을 크게 높여도 발열의 문제가 없으므로 매우 높은 클럭 달성도 가능합니다. 다만 현재까지는 매우 낮은 온도에서만 초전도 현상이 일어나기 때문에 액체 헬륨과 같은 고가의 냉각 장비가 필요하다는 단점이 있습니다.
그런데 사실 프로세서 및 전자 회로 부분에서 초전도체가 도입되지 못하는데는 여러가지 다른 이유도 있습니다. 초전도 현상을 이용한 조셉슨 접합 (Josephson - Junction) 회로들은 770 GHz 라는 놀라운 클럭도 달성이 가능하나 미세 회로로 만들기가 어려우며 트랜지스터 처럼 three terminal device 가 아니라 two terminal device 라는 단점을 가지고 있습니다. 이외에도 조셉슨 접한은 현재 사용되는 프로세서와 메모리 칩을 대신하기 어려운 몇가지 제한점을 가지고 있습니다.
MIT 의 대학원생인 아담 맥코한(Adam McCaughan, a graduate student in electrical engineering) 과 전자공학 및 컴퓨터 과학부 교수인 칼 버그렌 (professor of electrical engineering and computer science Karl Berggren) 등 연구자들은 새로운 형태의 초전도 논리 회로를 개발하는데 성공했다고 저널 Nano Letters 에 발표했습니다.
(새롭게 개발한 nanocryotron 초전도 논리 회로 Shown here is a square-centimeter chip containing the nTron adder, which performed the first computation using the researchers' new superconducting circuit. Credit: Adam N. McCaughan )
연구팀의 설명에 의하면 기존의 조셉슨 소자의 문제를 해결하기 위해서 이들은 불과 한개의 층으로 구성된 niobium nitride 을 절연층위에 T 자 모양으로 배열했다고 합니다. 이렇게 만든 새로운 회로는 nanocryotron 혹은 nTron 이라고 명명되었습니다. 이 nTron 은 매우 작아질 가능성이 있으며 이전에 제시되었던 초전도 회로에 비해서 더 실용화 가능성이 높다는 것이 연구팀의 설명입니다.
반도체 회사인 Hypres 의 CTO 인 올레그 무카노프 (Oleg Mukhanov, chief technology officer of Hypres) 이 nTron 이 nanowire 로 구성되어 매우 작아질 수 있을 뿐 아니라 조셉슨 접합처럼 two terminal 아닌 three terminal 제품으로 현재의 일반적인 트랜지스터에 더 가깝기 때문에 실용화의 가능성이 더 높다고 평가했습니다.
지금까지 초전도 컴퓨팅에 대한 여러가지 제안들이 등장했지만 실용적인 의미에서 초전도 슈퍼 컴퓨팅은 아직 가능성의 영역으로만 남아 있습니다. 과연 실제로 실용화가 가능한 초전도 컴퓨팅을 길을 nTron 이 열게 될지는 알 수 없지만 아무튼 이런식으로 실용화의 걸림돌을 제거하기 위한 연구가 진행된다는 점은 재미있습니다.
만약에 상온에서 초전도 현상을 이용한 프로세서그 등장한다면 성능은 말할 것도 없고 전력 소모와 발열이라는 부분에서 혁명이 일어나게 될 것입니다. 그런 미래가 과연 올 수 있을 지 궁금하네요.
참고
"A Superconducting-Nanowire Three-Terminal Electrothermal Device" Nano Lett., 2014, 14 (10), pp 5748–5753. DOI: 10.1021/nl502629x
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