양자 컴퓨팅 기술을 차용한 초전도 뉴로모픽 칩이 핵융합 관련 데이터 처리를 포함한 일련의 시험을 통과했다.

양자 컴퓨팅의 기법을 차용한 초전도 신경망 칩이 핵융합로에서 나온 데이터를 처리하는 일련의 시험을 통과했다. 미국 에너지부의 제네시스 미션(Genesis Mission)의 일환으로 진행된 이번 연구는 내년에 핵융합 데이터로 시험될 더 큰 칩의 길을 열어준다. 또한 슈퍼컴퓨터의 GPU보다 에너지 사용량과 성능 모두에서 앞설 수 있는 새로운 유형의 실리콘을 시사한다.

Great Sky는 콜로라도주 볼더에 본사를 둔 칩 스타트업이다. CEO인 제프 샤이널린(Jeff Shainline)과 공동창업자들은 2024년 국립표준기술연구소(NIST)에서 거의 10년간 개발을 거친 뒤 이 기술을 분사해 회사를 세웠다. 이 회사는 3월에 세상에 모습을 드러냈다. 이 회사는 초전도 회로와 광학 연결 등 양자 컴퓨터에서 흔히 쓰이는 기술을 활용해, 신경망을 디지털로 모사하는 대신 하드웨어로 아날로그 신경망을 구현하는 칩을 만들고 있다.

Great Sky는 자사의 접근법을 초전도 광전자 네트워크(superconducting optoelectronic network, SOEN)라고 부른다. 회사는 SOEN이 GPU와 같은 기존 칩보다 훨씬 높은 속도로 데이터를 처리하면서도 같은 양의 에너지를 쓸 수 있다고 주장한다. 회사에 따르면 이러한 성능은 알려진 회로 소자 중 속도 대비 에너지 비율이 가장 높은 초전도 조셉슨 접합 회로와, 장거리 단일 광자 광통신을 가능하게 하는 집적 포토닉 도파로를 결합한 데서 나온다.

샤이널린은 올해 초 블로그 게시물에서 이렇게 말했다. "우리는 양자 기술과 같은 소자들 가운데 다수, 즉 초전도 회로와 단일 광자 검출기를 사용하지만, 이를 병렬 분산 구조의 고전적 아날로그 연산에 활용합니다. 이는 AI에 이상적입니다."

그는 이렇게 덧붙였다. "속도와 에너지 효율의 물리적 한계 근처에서 연산을 수행하면서 더 정교한 구조와 알고리즘을 가능하게 하는 새로운 하드웨어를 만들면, 수천억 달러의 자본 지출과 기가와트급 데이터센터가 필요 없는 완전히 다른 확장 로드맵으로 전환할 수 있습니다."

이 주장들은 Great Sky, 브룩헤이븐 국립연구소, 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL), 그리고 제너럴 아토믹스가 캘리포니아주 샌디에이고에서 운영하는 DIII-D 국립핵융합시설이 함께 조직한 제네시스 미션 과제들을 통해 검증되었다. 브룩헤이븐은 Great Sky의 기술을 기반으로 한 특수 칩 개발을 주도했으며, 이 칩은 북미에서 가장 큰 가동 중인 토카막인 DIII-D의 핵심인 토카막을 제어하는 데 사용되었다.

브룩헤이븐은 이 칩이 토카막 데이터를 초당 최대 100만 개의 데이터 샘플 속도로 처리하는 데 "전혀 문제가 없었다"고 밝혔다.

시험에 참여한 PPPL의 스티븐 카울리(Steven Cowley) 소장은 이렇게 말했다. "이 칩은 토카막에서 초당 수백만 개의 샘플을 곧바로 받아들여 따라잡았습니다. 이는 실용적 핵융합 발전을 향한 진정한 한 걸음이며, 다음에 이것을 어디까지 발전시킬지 정말 기대됩니다."

칩은 구글 딥마인드 핵융합 팀이 개발한 토카막 시뮬레이터 TORAX를 이용한 모의 시험도 통과했다. 이 시험은 핵융합 반응 중 빠르게 변화하는 플라즈마 거동에 시스템이 얼마나 잘 대응하는지를 평가한다.

Great Sky는 400만 달러 미만의 비용으로 네 차례의 칩 테이프아웃을 완료했으며, 현재 신경망 칩을 10배 크기로 제작할 계획이다. 회사는 연말까지 이를 완성하고, 2027년 초 브룩헤이븐에서 시험한 뒤, 같은 해 후반 DIII-D 토카막에 배치하는 것을 목표로 하고 있다.

DIII-D의 리처드 버터리(Richard Buttery) 소장은 이렇게 말했다. "팀이 우리 토카막의 데이터를 처리하는 모습을 보는 것은 놀라운 일입니다. DIII-D의 직원들은 이 칩이 핵융합 산업의 진단과 제어에 어떤 영향을 줄지 매우 기대하고 있습니다."

핵융합로 관리는 Great Sky 초전도 신경망 칩의 잠재적 응용 분야 중 하나일 뿐 유일한 것은 아니다. 제네시스 미션에서 1단계 계약을 받은 Great Sky는 궁극적으로 인간의 뇌보다 더 많은 뉴런과 시냅스를 갖추고 100만 배 빠르게 작동하는 슈퍼컴퓨터를 만드는 것을 목표로 하고 있다.

샤이널린은 이렇게 말했다. "이것은 지금까지 우리가 만든 가장 큰 칩이며, 토카막에서 직접 측정된 고속 데이터를 처리하는 모습을 보게 되어 매우 기쁩니다. 하지만 이것은 시작에 불과합니다. 이 AI 하드웨어 접근법은 핵융합뿐 아니라 기술 최전선의 다른 응용 분야에도 많은 것을 제공할 수 있습니다. 양자 시스템의 제어와 오류 정정, 고급 사이버 보안, 지속 학습을 활용한 영상 지능 등은 우리 시스템을 확장하면서 얻게 될 놀라운 기회들입니다."

AI를 위한 토큰 생성도 또 다른 활용 사례다. Great Sky는 자사의 뉴로모픽 칩이 100만 개의 출력 토큰을 1센트에 생성할 수 있다고 밝혔으며, 이는 오늘날 최고의 AI 하드웨어보다 300배 저렴한 것, 즉 100만 토큰당 3달러라고 주장한다.