1965년 인텔의 창립자 중 한 명인 고든 무어(Gordon Moore)는 반세기 이상 칩 산업에 영향을 미친 '무어의 법칙'을 제시했는데, 이는 집적 회로가 수용할 수 있는 트랜지스터의 수가 1~2년마다 두 배로 증가할 것으로 예측하는 것이다.

반도체 분야는 무어의 법칙에 따라 수십 년 동안 번영해 왔으며, '칩'은 인류가 지능의 시대로 진입하는 데 중요한 엔진이 되었다. 그러나 트랜지스터 크기가 물리적 한계에 가까워지면서 무어의 법칙은 지난 10년 동안 속도가 느려지고 또 다른 한계에 직면했다. 특히, 인공지능 시대에 새로운 세대의 컴퓨팅 아키텍처를 구축하고 '새로운 칩' 질서를 확립하는 방법은 국제 사회의 큰 관심사가 되고 있다.

이 문제에 대해 칭화대학교(Tsinghua University) 자동화학과의 다이 치옹하이(Dai Qionghai) 교수와 우 지아민(Wu Jiamin) 조교수, 전자공학과 루 팡(Lu Fang) 부교수와 페이 차오(Fei Qiao) 연구원이 공동으로 무어의 법칙을 벗어나 새로운 컴퓨팅 아키텍처로 최신 AI 성능을 뛰어넘고 에너지 효율적인 고성능 반도체로 광학 컴퓨팅과 전자 컴퓨팅을 결합한 완전 아날로그 '광전자 칩(Photoelectronic Chip)'을 개발했다.

연구팀은 실제로 진행한 지능형 비전 작업과 교통 시나리오 시연에서 이 칩(All-analog Chip Combining Electronic and Light computing. 이하, ACCEL)의 시스템 레벨 에너지 효율(에너지 단위당 수행할 수 있는 연산 횟수)은 기존 고성능 칩의 400만 배 이상인 74.8 Peta-OPS/W로 측정되었다고 한다. 이는 기존 칩을 한 시간 구동하는 데 사용하던 전력으로 500년 이상 구동할 수 있는 것이다.

ACCEL의 연산속도는 현재 사용되고 있는 고성능 칩(엔비디아 AI 반도체 A100)보다 3000배 빠른 초당 4.6페타플롭스(광학으로 99% 이상 구현) 성능을 구현했다. 이를 고속철도 주행 시간을 칩의 정보 흐름을 계산하는 데 걸리는 시간에 비유한다면 ACCEL은 8시간이 걸리는 베이징-광저우 고속철도의 주행 시간을 단 8초로 단축하는 것과 같다.

또한, ACCEL은 특징 추출을 위한 광학 인코더로 회절 광학 컴퓨팅을 적용한 후, 빛으로 유도된 광전류는 아날로그-디지털 컨버터 없이 통합 아날로그 컴퓨팅 칩에서 추가 계산에 직접 사용되므로 각 프레임당 72ns의 낮은 컴퓨팅 지연 시간과 광학 부분의 최소 선폭은 100nm에 불과하고 회로 부분은 180nm CMOS 공정으로 기존 7nm 공정의 고성능 칩에 비해 몇 배의 성능 향상과 동시에 사용되는 재료도 간단하고 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있다.

연구팀은 "현재 칩 집적의 한계를 제한하는 핵심 요소는 과도한 고밀도로 인한 열 방출 문제다"며, "초저전력 소비로 작동하는 ACCEL은 칩의 발열 문제를 크게 개선하여 칩의 설계에서 혁신을 가져올 것"이라고 밝혔다.

또한, "ACCEL은 컴퓨터나 스마트폰과 같은 장치에 사용되는 칩을 즉시 대체할 수는 없지만 곧 웨어러블 디바이스, 전기 자동차 또는 스마트 팩토리에 사용될 수 있으며, 중국의 인공지능 경쟁력을 높이는 데 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.

중국은 미국 바이든 행정부가 AI 반도체를 비롯한 일부 핵심 기술 등에 대한 일련의 규제 속에 중국은 AI 경쟁에서 미국을 따라잡기 위해 안간힘을 쓰고 있는 가운데 이 연구를 주도한 치옹하이 교수는 "인공지능 시대에 새로운 컴퓨팅 아키텍처를 개발하는 것은 정점이며, 새로운 아키텍처가 실제로 실생활에 적용되고 국가 경제와 민생에서 주요 요구를 해결하는 것이 더욱 중요하며, 이는 우리의 책임이기도 합니다."라고 밝혔다.

한편, ACCEL 개발 및 연구 결과는 네이처(Nature)에 '고속 비전 작업을 위한 완전 아날로그 광전자 칩(All-analog photoelectronic chip for high-speed vision tasks-아래첨부)'이라는 제목으로 지난달 25일 게재되었으며, 네이처 역시 연구팀의 이번 연구에 대한 특별 리뷰에서 “아마도 이 칩의 출현으로 차세대 컴퓨팅 아키텍처가 예상보다 훨씬 빨리 일상 생활에 진입할 수 있게 될 것”이라고 피력했다.