Non-volatile integrated photonics on lithium tantalate-on-insulator

컴퓨터가 단순히 더 빠르게 생각하는 것을 넘어, 더 '가볍게' 생각하는 세상을 상상해 보십시오. 데이터를 고속도로 위의 자동차처럼 전기로 이동시키는 대신, 과학자들은 빛의 줄기를 사용하는 '광학 회로(photonic circuits)'를 구축하고 있습니다. 빛은 믿을 수 없을 정도로 빠르고 전기만큼 열을 많이 발생시키지 않기 때문에 차세대 슈퍼컴퓨터에 완벽합니다. 하지만 한 가지 문제가 있습니다. 빛의 회로가 신호를 바꾸거나 색을 바꾸는 것과 같은 유용한 일을 수행하게 하려면, 보통 전기나 열로 끊임없이 밀어주어야 한다는 점입니다. 이는 마치 그네를 계속 밀어서 움직이게 하려는 것과 같습니다. 계속 밀지 않으면 그네는 멈추고 맙니다. 이 지속적인 '밀어주기'는 많은 에너지를 소비하며 열을 발생시키는데, 이는 수백만 개의 스위치를 작은 칩 위에 집약시키고자 할 때 큰 문제가 됩니다. 과학자들은 빛의 경로를 '설정'해 두고, 추가적인 전력 공급 없이도 그 상태를 유지할 수 있는 방법, 즉 손잡이를 놓아도 '켜짐' 상태를 유지하는 전등 스위치 같은 방법을 찾아왔습니다.

여기서 새로운 연구가 등장합니다. 리튬 탄탈레이트(lithltium tantalate)라는 특수한 결정을 사용하는 영리한 기술을 소개합니다. 연구진은 이 결정 안에 빛의 새로운 경로를 영구적으로 '쓰는' 방법을 발견했으며, 일단 쓰여지면 추가 에너지 없이도 빛이 그 경로를 유지하도록 만들었습니다. 그들은 이를 '비휘발성(non-volatile)' 광학이라고 부릅니다. 이것은 마치 유리 위에 특수 펜으로 메시지를 쓰는 것과 같습니다. 메시지를 쓰고 나서 펜을 치워도, 열로 지우기 전까지는 메시지가 영원히 보이는 것과 같습니다. 이 '영구적 쓰기' 능력과 빛을 번개처럼 빠른 속도로 켜고 끄는 능력을 결합하여, 연구팀은 매우 빠르면서도 에너지 효율적인 새로운 유형의 칩을 만들어냈습니다. 그들은 이 칩을 이용해 이미지의 가장자리(예: 사진 속 고양이의 윤곽선)를 찾는 장치를 만들어 테스트했으며, 설정을 유지하기 위해 거의 전력을 사용하지 않으면서도 일반 컴퓨터가 어지러울 정도의 속도로 데이터를 처리할 수 있음을 확인했습니다.

"메모리 결정"의 이야기

화중과기대학교와 상하이교통대학교 연구진으로 구성된 연구팀은 리튬 탄탈레이트-온-인슐레이터(LTOI)라는 재료를 사용하여 에너지 문제를 해결하기로 했습니다. 이 재료는 특수 결정의 아주 얇은 조각이 유리 층 위에 놓여 있는 것이라고 생각하면 됩니다. 이 결정 내부에는 '강유전체 도메인(ferroelectric domains)'이라 불리는 미세한 원자 단위의 '스위치'들이 있습니다. 보통 이 결정의 빛 이동 방식을 바꾸려면 전압을 계속 가해야 하는데, 이는 초인종 소리를 계속 나게 하려고 손가락으로 버튼을 계속 누르고 있는 것과 같습니다.

연구팀의 큰 돌파구는 이 원자 스위치를 '뒤집고', 뒤집힌 상태를 '유지'하는 방법을 알아낸 것이었습니다. 그들은 **결함 쌍극자 모델(defect-dipole model)**이라는 개념을 사용했습니다. 결정이 붐비는 무도회장이라고 상상해 보십시오. 무용수들(원자들)은 자연스러운 방향을 가지고 있지만, 무용수가 빠진 자리(결함)들이 미세하고 보이지 않는 자기장 같은 장을 만들어냅니다. 연구진이 강한 전압 펄스를 가했을 때, 그들은 무용수들을 강제로 돌려놓았습니다. 그러나 '결함'들은 제자리에 고정되어 있어 상온에서 쉽게 움직일 수 없기 때문에, 무용수들을 원래 방향으로 다시 끌어당겼습니다. 이는 새로운 안정적인 균형을 만들어냈습니다. 무용수들은 돌아선 상태를 유지하지만, '결함' 장은 그대로 남게 된 것입니다. 이 새로운 배열은 결정 내 빛의 이동 방식을 변화시켰으며, 결정적으로 전압을 끈 후에도 그 상태가 유지되었습니다. 이는 무거운 바위를 언덕 위로 밀어 올렸을 때, 바위가 다시 내려오지 않고 꼭대기의 작은 홈에 걸려 멈춰 있는 것과 같습니다. 다시 큰 충격(열)을 주어 그 홈에서 꺼내지 않는 한 바위는 내려오지 않습니다.

결과: 빠르고, 손실이 적으며, 영구적인

연구팀은 단순히 이론에 그치지 않고 이를 실제로 구축하여 인상적인 결과로 테스트했습니다.

첫째, 그들은 새로운 결정 칩을 통해 빛이 얼마나 잘 전달되는지 확인했습니다. 그들은 빛이 이동할 때 에로지가 매우 적다는 것을 발견했는데, 손실은 약 0.05–0.06 dB/cm에 불과했습니다. 이는 매우 중요한 성과입니다. 신호가 사라지지 않고 매우 길고 복잡한 회로를 칩 위에 구축할 수 있음을 의미하기 때문입니다.

다음으로, 그들은 '메모리' 부분을 테스트했습니다. 연구팀은 칩이 빛의 위상(phase, 파동의 타이밍을 변화시키는 것)을 다양한 단계로 변경하도록 프로그래밍했습니다. 그들은 전체 원형 위상($\pi$ 범위)에 대해 137개의 서로 다른 위치를 설정할 수 있었으며, 그 정밀도는 원을 아주 작은 조각인 0.007$\pi$로 나누는 것만큼이나 미세했습니다. 더욱 놀라운 점은, 이 설정들을 100만 번($10^6$ 사이클) 이상 쓰고 지웠음에도 칩은 설정을 완벽하게 기억했다는 것입니다. 프로그래밍된 상태는 시간이 지나도 사라지지 않았으며, 최소 일주일 동안 안정적으로 유지되었고, 칩은 이를 유지하기 위해 어떤 전기도 필요로 하지 않았습니다.

그 후, 이 '메모리'를 고속 스위칭과 결합했습니다. 그들은 데이터를 실어 나르기 위해 빛을 켜고 끄는 장치인 변조기(modulator)를 구축했는데, 이는 110 GHz 이상의 속도로 스위칭할 수 있었습니다. 보통 이러한 변조기가 제대로 작동하게 하려면 드리프트 현상을 막기 위해 전기로 끊임없이 조정해주어야 합니다. 하지만 이 새로운 칩은 올바른 설정을 '기억'할 수 있기 때문에, 한 번 설정해 두면 정적 전력(static power, 설정을 유지하는 데 필요한 전력) 없이도 고속으로 실행할 수 있습니다. 연구팀은 이를 통해 400 Gbit/s의 데이터 전송률을 처리할 수 있는 변조기를 만들었으며, '소멸비(extinction ratio, 빛을 얼마나 잘 끌 수 있는지의 척도)'를 무려 59.3 dB까지 높였습니다. 이는 마치 전등 스위치를 아주 효과적으로 조절하여, '꺼짐' 상태가 '켜짐' 상태보다 59데시벨 더 조용하게 만드는 것과 같으며, 이는 믿을 수 없을 정도로 명확한 구분을 의미합니다.

대미를 장식하는 것: 이미지 가장자리 검출 칩

이 기술이 실제 세계에서 얼마나 유용한지 보여주기 위해, 연구팀은 이미지의 가장자리를 포착할 수 있는 컴퓨터의 작은 '두뇌'를 만들었습니다. 사진 속에 고양이가 있고, 컴퓨터가 고양이의 윤곽선을 따라 선을 그리게 하고 싶다고 상상해 보십시오. 이것을 '가장자리 검출(edge detection)'이라고 합니다.

그들은 비휘발성 방식으로 결정 안에 '가장자리를 찾는 규칙'을 기록하는 칩을 만들었습니다. 일단 기록되면, 이 규칙들은 전력을 필요로 하지 않고 그 자리에 머물렀습니다. 그런 다음, 실시간 비디오 데이터를 칩에 입력했습니다. 실험에서 칩은 초당 10 Gpixel/s(초당 100억 픽셀)의 속도로 이미지를 처리했습니다. 결과는 어떠했을까요? 칩은 100%의 정확도로 가장자리를 식별해 냈습니다.

가장 흥러운 부분은 에너지 효율이었습니다. 칩이 설정을 유지하기 위해 전력을 태울 필요가 없었기 때문에, 3.48 TOPS W$^{-1}$(와트당 테라 연산)의 에너지 효율을 달しまいました. 만약 기존의 전력을 많이 소모하는 방식으로 칩을 계속 가열하여 설정을 유지했다면, 효율은 단 0.60 TOPS W$^{-1}$로 떨어졌을 것입니다. 연구팀은 만약 칩을 더 빠르게(200 Gbit/s) 구동할 수 있다면, 효율이 120.4 TOPS W$^{-1}$까지 치솟을 것이라고 전망했습니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 여러분이 최상의 두 가지 장점을 모두 가질 수 있다는 것을 증명합니다. 즉, 믿을 수 없을 정도로 빠르면서(110 GHz 이상) 신호 손실이 매우 적은 광학 칩을 가질 수 있으며, 동시에 에너지 낭비 없이 설정을 '기억'할 수 있는 칩을 가질 수 있다는 것입니다. 이는 매우 중요한 진전입니다. 이전의 광학 칩 메모리 시도들은 빛을 너무 많이 흡수하거나 스위칭 속도가 충분히 빠르지 못한 재료를 사용하는 경우가 많았기 때문입니다. 리튬 탄탈레이트를 사용하고 미세한 원자 결함의 원리를 이해함으로써, 연구팀은 자율주행 자동차, 로봇, 첨단 의료 영상 기술 등을 위해 오늘날의 전자 기기가 가진 열과 에너지 소모 문제 없이도 매우 효율적이고 빠른 컴퓨터를 이끌 수 있는 플랫폼을 만들어냈습니다.