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[IT뉴스][대체불가 K테크] ①韓 반도체 경쟁력 언제까지?…"10년 뒤 '포스트 실리콘' 주도할 것"

온카뱅크관리자

2026-08-06 10:57:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KIST 차세대반도체연구소, 확률론적 컴퓨팅·광자QPU 개발에 초점 
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 <img alt="왼쪽부터 한상욱 KIST 양자활용연구거점사업단장(양자기술연구단 책임연구원), 구현철 KIST 초거대계산반도체전략연구단장. KIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/06/dongascience/20260806105139202vjeg.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="yW0K2msALc" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/06/dongascience/20260806105139202vjeg.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 한상욱 KIST 양자활용연구거점사업단장(양자기술연구단 책임연구원), 구현철 KIST 초거대계산반도체전략연구단장. KIST 제공
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 [편집자 주] 미국과 중국을 중심으로 인공지능(AI), 반도체, 휴머노이드 로봇, 수소경제, 우주 기술 등을 둘러싼 경쟁이 갈수록 치열해지고 있다. 얼마 전까지만 해도 첨단 과학기술은 산업 경쟁력과 미래 성장동력의 토대로 여겨졌지만 이제 국가의 미래와 안보까지 좌지우지하는 핵심 요소다. 동아사이언스는 종합 출연연으로 올해 설립 60년을 맞아 국가 과학기술 난제 연구에 도전하는 한국과학기술연구원(KIST) 임무중심연구소 연구 현장을 찾아 기술패권 경쟁 속 한국의 현주소를 진단하고 미래 전략을 모색한다.  
 한국의 반도체 산업 역량이 인공지능(AI) 발전과 맞물려 역대급 수출 실적을 기록하고 주식시장 활성화를 견인하고 있다. AI 시대 반도체 공급 부족 현상이 지속되며 이같은 추세가 짧게는 3년 이상 유지될 것이라는 전망이 나온다. 정부도 AI를 발판으로 총 투자규모만 4700조원에 달하는 3대 메가프로젝트 투자계획을 발표해 누구도 따라올 수 없는 '초격차'를 현실화하겠다는 전략을 제시했다. 
 일각에서는 전세계 AI 데이터센터 구축 등에 따른 반도체 수요 증가가 일시적일 것이라는 지적도 제기한다. 현재 쓰이는 반도체의 한계를 극복하는 과학기술 연구에 힘을 쏟는 노력도 동시에 이뤄져야 한다는 목소리가 설득력을 얻는 이유다.
 한국과학기술연구원(KIST) 과학자들은 10년 뒤 미래를 대비해 현존 반도체 한계를 극복할 '포스트 실리콘' 전자소자 개발에 힘을 쏟고 있다. 
 KIST 임무중심연구소 중 한 곳인 차세대반도체연구소의 구현철 초거대계산반도체전략연구단장과 한상욱 양자활용연구거점사업단장은 한국의 반도체가 전례없는 주목을 받고 있는 2026년의 한복판에서 KIST 차세대반도체연구소의 역할에 대해 묻자 "기업이 이미 잘하는 기술을 따라가기보다 선제적이고 도전적인 연구 주제를 던지는 것"이라며 주력 분야로 확률론적 컴퓨팅 소자 개발과 광자(빛의 입자) 기반 양자프로세서(QPU) 개발을 꼽았다.
 현재 가장 널리 쓰이는 실리콘 소재 기반 반도체는 연산장치, 메모리, 프로그램 3가지로 구성된 컴퓨팅 방식인 '폰노이만 구조'를 따르고 있다. 집적도 향상과 전력 소모를 줄이는 데 근본적인 한계가 있는 방식이다. 과학자들이 완전히 새로운 소재나 소자, 연산 방식을 탐색하는 이유다.
 차세대반도체연구소는 2015년 출범했다. 한 단장은 "당시 삼성전자나 SK하이닉스 등 국내 기업이 좋은 성과를 내고 있었고 정책 담당자들 사이에서는 '기업이 잘하고 있으니 대학이나 정부출연연구기관(출연연)이 반도체 연구를 할 필요가 있느냐'라는 인식이 강했다"며 "설립 초기 연구과제 확보가 쉽지 않았다"고 말했다.
 이후 AI가 확산하면서 기존 컴퓨팅 구조의 전력과 발열 문제가 부각되자 새로운 컴퓨팅 구조 수요가 본격적으로 제기됐다. AI 반도체 관련 대형 사업이 생기면서 선제 투자 효과를 봤다는 설명이다.
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 구현철 KIST 초거대계산반도체전략연구단장. KIST 제공
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 ● '실용적인 답' 빠르게 내놓는 확률론적 컴퓨팅
 구 단장은 기존 컴퓨팅의 근본적인 약점으로 경우의 수가 폭발적으로 증가하는 최적화 문제를 들었다. 예를 들어 여러 도시를 가장 짧은 경로로 방문하는 경우를 찾는 '외판원 문제'는 도시 수가 늘어날수록 연산량이 기하급수적으로 증가한다.
 확률론적 컴퓨팅은 0과 1 두 가지로 정보를 표현하는 단위인 비트(bit)가 아니라 두 상태를 무작위로 오가는 '확률비트(p-bit)'를 기본 연산 단위로 사용한다. 0과 1이 나올 확률을 기본 50대 50에서 20대 80과 같이 조절하면서 조건에 잘 맞는 답에 효율적으로 접근하는 전략이다. 결과를 넣고 가능한 원인을 찾는 역연산 문제에도 적합하다.
 구 단장은 "부정확한 답을 낸다는 오해가 있지만 그렇지 않다"며 "경우의 수가 너무 많아 최적의 답인지 검증하는 것 자체가 어려운 경우는 절대적인 값 하나를 오랫동안 찾는 것보다 최적의 답에 가까운 후보들을 빠르게 제시하는 것이 실용적"이라고 설명했다.
 예를 들어 이동시간이 5시간 걸리는 최적의 경로 하나를 이틀에 걸쳐 찾기보다는 30분 만에 5시간 5분 정도 걸리는 경로 후보 3~4개를 30분 만에 제시하는 것이 산업 현장에서는 훨씬 실용적이라는 것이다.
 확률론적 컴퓨터를 반도체 칩으로 구현하는 방식은 두 가지로 제시된다. 기존 실리콘 트랜지스터를 조합해 p-bit를 구현하는 상보형 금속산화물 반도체(CMOS) 방식은 기존 반도체 설계·공정 기술을 그대로 활용해 확률론적 컴퓨팅 시스템을 검증하기 좋지만 전력 소모가 크다는 한계가 있다.
 구 단장은 "이미 CMOS 방식으로 2000개의 p-bit를 구현했다"며 "규모가 작아도 안정성이 중요한 모바일 계산 장치는 CMOS 방식 자체도 의미가 있다"고 말했다.
 궁극적인 목표는 자성체 소자를 활용한 자기저항메모리(MRAM)에 쓰이는 자기터널접합(MTJ)의 확률 변동을 이용한 p-bit 구현이다. p-bit 1개 구현에 수천개 이상의 트랜지스터가 필요한 CMOS 방식과 달리 MTJ는 하나의 접합소자만으로 p-bit를 구현할 수 있어 집적도와 전력 효율이 획기적으로 개선된다.
 삼성전자와의 협력이 중요하다. 구 단장에 따르면 국내에서 MTJ 셀과 트랜지스터를 연결해 완성된 메모리 형태로 대규모 제조할 수 있는 곳은 사실상 삼성전자 뿐이기 때문이다.
 구 단장은 "삼성전자 입장에서도 MRAM 파운드리의 새로운 고객과 수요를 발굴할 수 있다는 점에서 이해관계가 맞다"며 3년 안에 p-bit 5000개가 집적된 칩을 만들어 성능 검증용 벤치마크 문제를 풀겠다는 목표를 제시했다.
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 한상욱 KIST 양자활용연구거점사업단장. KIST 제공
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 ● 날아다니는 광자 QPU 제어기술 확보
 양자컴퓨터는 양자 현상을 이용한 정보처리 단위인 '큐비트'로 계산을 수행하며 기존 컴퓨터로는 너무 오래 걸리거나 해결이 불가능한 유형의 문제를 풀 수 있다. 큐비트의 형태는 구동 방식에 따라 다양하다. 
 한 단장은 "10년 전에는 대학과 연구소가 양자컴퓨터의 가능성을 탐색하고 원천기술을 확보하는 단계였다면 현재는 기업들이 주도하고 있다"며 주요 경쟁 플랫폼을 초전도, 이온트랩, 중성원자, 광자 4가지로 압축했다. 미래에 어떤 방식이 주류가 될지 아직은 알 수 없지만 4가지 방식은 기업 투자와 인력이 충분히 붙어 경주를 이어갈 추진력을 확보했다는 평가다.
 광자 기반 양자컴퓨팅을 선택한 이유는 KIST 내부에 광학과 광소자 연구역량이 축적돼 있다는 점과 소자를 반도체 공정으로 구현하기 좋다는 점 등이 꼽혔다. 또 광자 방식은 상온에서 작동할 수 있다.
 광자는 그 자체가 빛의 속도로 이동하는 큐비트다. 큐비트가 물리적으로 고정된 다른 3가지 큐비트와는 계산과 제어 방식이 다르다. 시간 순서에 따라 서로 양자 얽힘 상태에 있는 광자를 대량으로 만들고 선행 광자의 측정 결과에 따라 뒤따라오는 광자가 수행하는 연산을 제어해야 한다. 측정 결과를 뒤쪽 큐비트에 반영하는 기술을 '피드포워드'라고 한다.
 속도가 관건이다. 측정과 결과 판독, 판단, 다음 광자의 상태 제어를 약 1~2나노초(ns, 1ns는 10억분의 1초) 안에 수행해야 하기 때문이다. 광자를 생성·전송·변조·측정하는 광집적회로(PIC), 측정 결과를 판단하고 광소자에 제어 신호를 주는 전자집적회로(EIC) 두 가지 칩을 결합하는 이종집적·패키징 기술이 핵심이다.
 한 단장은 "KIST의 PIC 기술이 해외 선두 그룹과 비교 가능한 수준에 왔다"고 평가하며 "향후 EIC 설계와 패키징 역량을 결합해 3년 안에 초고속 피드포워드 기술에서 세계 선두와 어깨를 나란히 하는 것이 목표"라고 밝혔다.
 ● 탄탄한 반도체 생태계가 韓 차별점
 확률론적 컴퓨팅과 광자 QPU 모두 기존 컴퓨터를 완전히 대체하는 것은 아니다. 현존 컴퓨팅으로는 해결이 불가능하거나 너무 오랜 시간이 걸리는 최적화 문제 등 특정 부분만 맡아서 해결하는 '가속기' 역할을 맡을 전망이다. 실제로 활용되려면 고전 컴퓨팅 시스템과 연결될 수 있는 칩 형태로 구현·통합돼야 한다.
 한 단장과 구 단장은 한국이 차세대 컴퓨팅 분야에서 보여줄 핵심 역량으로 개별 기술보다 탄탄한 반도체 생태계를 꼽았다. 해외 연구진은 새로운 소자 기술을 개발하더라도 이를 생산할 업체와 공정 인프라가 부족하다. 현재 KIST의 확률론적 컴퓨팅과 광자 QPU 기술이 세계 최고 수준이라고 평가하긴 어렵지만 원천기술을 반도체 제조망에 연결하기 좋다는 것이 차별점으로 제시된다.
 실제로 국내 반도체 기업과 소재·부품·장비(소부장) 업체들이 기존 메모리 산업을 통해 생산역량을 유지하고 있지만 동시에 다음 사업 아이템을 찾고 있다는 분석이다.
 한 단장은 "KIST 같은 출연연의 역할은 기업이 당장 투자하거나 사업화하기 어려운 원천기술을 먼저 개발한 뒤 기존 산업 생태계에 공급하는 것"이라고 밝혔다.
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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