서울대학교와 서울시립대학교 연구진이 필요할 때마다 빛의 속도를 늦출 수 있는 프로그래머블 광집적회로를 개발했다. 네, 그들은 빛에 브레이크를 밟는 능력을 부여한 것이다. 많은 사람들이 교통 체증에서 그렇게 할 수 있기를 바라는 바로 그 능력 말이다.

남기표 교수(서울대 전기정보공학부), 유선규 교수(서울대 전기정보공학부), 표선지 교수(서울시립대 전기전자컴퓨터공학부)가 이끄는 연구팀은 이 연구 결과를 저널 'Advanced Science'에 발표했다. 그들의 목표는 증가하는 컴퓨팅 병목 현상을 해결하는 것이다.

생성형 AI와 대규모 모델은 컴퓨팅 파워를 엄청나게 소모하고 있으며, 기존 전자 반도체는 땀을 흘리고 있다. 엄청난 에너지를 소비하고 데이터 전송 속도 한계에 부딪혔기 때문이다. 이때 등장한 것이 빛을 사용하는 광 컴퓨팅이다. 빛은 빠르고 효율적이지만 치명적인 결함이 있다. 바로 속도를 늦추지 않는다는 점이다. 광자에게 '잠깐만 기다려'라고 말할 수는 없다.

여기서 새로운 칩이 등장한다. 이 칩은 결합 공진기 유도 투명 현상(CRIT)이라는 현상을 이용해 광 신호의 속도와 모양을 제어한다. 전통적으로 CRIT 장치는 한 번 제조되면 영원히 한 가지 기능만 수행한다. 더 긴 지연이나 다른 주파수가 필요하다고? 안타깝지만 새 칩을 주문해야 한다. 이러한 경직성은 실시간 처리가 필요한 AI 서버와 데이터 센터에 큰 골칫거리였다.

서울대 연구팀은 두 가지 광학 상태(밝은 모드와 어두운 모드)를 하나의 조정 가능한 파라미터로 취급하고 두 개의 제어 가능한 루프 커플러를 추가함으로써 판도를 바꿨다. 이를 통해 칩을 실시간으로 재프로그래밍할 수 있다. 시뮬레이션에서 그들은 추가 부품 없이 신호 지연, 대역폭 조정, 심지어 주파수 변환이 가능함을 보여주었다. 게다가 물질 손실, 열 크로스토크, 제조 결함 같은 실제 조건에서도 작동한다.

상용화된다면, 이 단일 칩은 신호 동기화, 가변 지연선, 광 버퍼, 주파수 변환을 모두 처리할 수 있으며, 소프트웨어 정의 시스템처럼 유연하다. 이는 더 작고, 저렴하며, 에너지 효율적인 데이터 센터와 AI 서버를 의미한다. 잠재적 응용 분야로는 자율 주행, 차세대 통신, 양자 기술 등이 있다.

박 교수는 "이 연구는 광집적회로 내에서 빛의 흐름을 필요에 따라 재구성할 수 있는 새로운 설계 원리를 제안하여 설계 유연성을 크게 향상시킨 점에서 의미가 크다"고 말했다. 공동 제1저자인 박승균 박사와 채범준 박사과정 학생은 "기존 광 공진기 물리학을 다른 관점에서 재해석하는 것이 새로운 기능을 발견하는 출발점이 될 수 있음을 깨달았다"고 덧붙였다.

이제 빛도 인내심을 배울 수 있게 되었다. 인터넷 로딩 시간도 그렇게 할 수 있다면 얼마나 좋을까.