삼성전자 박사들이 10년 넘게 연구한 역대급 신기술

저희가 알고 있는 이 휴대폰 모든 분들이 쓰고 있는 휴대폰은 하루에 한 번 정도 충전을 하시죠.

저희가 꿈꾸는 이 에너지 소모가 없는 정보 처리라는 것은 한번 충전하고 예를 들면 일 년 동안 충전 안 해도 계속 이 에너지를 가지고 계속 정보 처리를 할 수 있도록 만들고 싶다.

이런 꿈을 꾸고 있는 겁니다.

0과 1은 이진법입니다.

일반적으로 컴퓨터는 0과 1을 가지고 데이터를 표기합니다.

예를 들어서 반도체는 전자가 지나가면 켜지고 지나가지 않으면 꺼집니다.

이걸 1과 0으로 표현하는 식이죠.

일반적으로 데이터는 이런 식으로 소통을 합니다.

그런데 삼 진법은 0,1 그리고 2 총 세 개의 정보를 가지고 있습니다.

그렇기 때문에 지나가거나 지나가지 않거나 두 개의 정보의 데이터를 저장하는 이진법보다 훨씬 유리하죠.

예를 들어서 숫자 128을 표현하려면 이진법으로는 여덟 개의 비트가 필요하지만 삼 진법으로는 다섯 개의 트리트만 있으면 저장할 수 있습니다.

비트라던가 트리트는 각 진법의 단위를 나타내는 것으로 뭐 그런 게 있다 이 정도로만 알아두시면 됩니다.

그런데 왜 이진법에서 삼 진법으로 가는가?

삼 진법으로 가면 효율이 굉장히 좋아집니다.

예를 들어서 삼 진법 소자를 구현하면 저항과 발열이 약 20분의 1로 줄어듭니다.

이게 무슨 뜻인지 아십니까?

여러분이 지금 스마트폰을 하루에 한 번 충전한다면 삼 진법 소자로 만들어진 반도체를 탑재한 스마트폰은 20에 한번 충전해도 된다는 겁니다. 인공지능용 반도체에도 꼭 필요해요.

하지만 삼 진법은 너무도 난도가 높습니다.

일단 2019년 삼성전자와 유니스트 연구팀은 세계 최초로 초절전 삼 진법 반도체 기술을 큰 웨이퍼에 구현을 해냈습니다.

하지만 아직까지도 상용화는 먼 길이죠.

그런데 여러분 종이에 정보를 적은 뒤 한 50m 떨어진 사람한테 던져주고 싶다고 합시다.

야구선수가 아닌 이상 그렇게 먼 곳까지 정보가 적힌 종이를 던질 수는 없을 거예요.

왜냐면 이 종이는 날아가면서 대기 중의 공기 입자들로 인해서 저항을 받아서 속도가 점점 더 가다가 줄어들 테니까요.

세상의 거의 대부분의 물질들은 저항을 받아요.

자동차 타이어도 저항을 받고 우주로 날아가는 로켓들도 그러합니다.

정보 전달도 역시 마찬가지예요. 전자들이 정보를 전달해 주는데 예네들도 지나가면서 서로 부딪치고 그러면서 마찰이 생깁니다. 그리고 이 과정에서 정보 지연이 발생하고 또 열이 발생합니다. 서로 막 부딪히는 거니깐요.

하지만 이게 없다면 어떨까요? 즉 저항이 없는 입자는 없을까요? 있습니다.

에너지 소모 없는 정보 전달과 처리! 가능합니다.

그게 바로 '솔리톤'입니다. 에너지 손실도 없고 발열도 없다? 이거 완전 무한동력 아닙니까?

솔리톤

무한동력은 기본적으로 저항이라는 것이 항상 있는데 저항을 무시하고 이야기하기 때문에 공상과학의 영역인데 우리는 저항을 만드는 원인을 제거해버린 거죠. 솔리톤은 쉽게 말해서 저항발열이 없는 전달체예요.

양자역학적으로 전자를 포함한 모든 입자들은 파동이거든요?

그런데 파동들 중에서 정보를 가지고 있는 파동들은 시간이 가면 갈수록 에너지를 잃게 됩니다.

예를 들어 강에다 돌을 던지면 처음에는 콱 튀어 오르지만 그 크기는 점점 더 작아지죠.

그런데 솔리톤은 이 영상에서 볼 수 있듯 크기가 줄어들지 않습니다. 계속해서 달려갑니다.

이걸 소재에 활용하면 어떻게 될까요?

바로 에너지 손실이 없는 꿈의 소자가 만들어지는 겁니다.

그리고 이 솔리톤으로 소자를 만들면 기본적으로 비휘발성입니다.

휘발성은 지금 쓰고 있는 DRAM 같은 애들이에요.

DRAM은 전자가 줄줄 새기 때문에 주기적으로 refresh를 해줘야 합니다.

하지만 솔리톤은 그런 과정이 없죠.

무엇보다 삼 진법을 넘어서 사 진법, 오 진법 그 이상의 다진 법까지 가능합니다.

다진 법 소자는 실제로 삼성에서도 연구를 하고 있습니다. 삼 진법 소자를 열심히 연구하고 있습니다. 정부에서도 많이 투자하고 있고 그분들하고 제가 최근에 통화를 해봤는데 지금 현재 가지고 있는 다진 법 소자 기술을 양상 화하는 단계는 금방 갈 것 같고요. 발열 저항이 20분의 1로 줄어든다고 합니다.

똑같은 연산을 할 때 지금 이틀에 한번 충전한다고 하면 한 달에 한번 충전하는 게 되니까 대단한 거죠.

2012년 IBS의 염한웅 단장님은 단일 솔리톤 입자를 세계 최초로 관측하였고 그 결과를 세계 최고의 물리학 저널 physical review letters에 발표합니다. 여기 보이는 이게 바로 솔리톤입니다.

그리고 2015년 솔리톤이 무려 사 진법의 정보를 가지는 것도 확인하였습니다.

그런데 2021년 단장님이 새롭게 발견한 솔리톤 입자는 약 영하 170도의 극저온에서 자유롭게 또 빠르게 움직여서 삼 진법 정보를 매우 빠르게 전달할 수 있다는 것을 확인했습니다. 무엇보다 솔리톤 입자는 주변의 충돌로 인해서 정보가 사라지지가 않아요. 이게 무슨 뜻이냐? 저항이 없는 정보 전달체가 될 수 있다는 겁니다.

그리고 2021년 단장님은 삼 진법 정보를 가지고 이동하는 새로운 솔리톤 입자를 세계 최초로 또다시 발견했습니다.

이 연구는 nature nanotechnology에 발표되었습니다.

솔리톤이 가지는 물리학적으로 재밌고 비상식적인 내용들이 있는데 기본적으로 전하가 없어요.

전하 값의 3분의 1, 4분의 1, 5분의 1 다양한 분수 값 전하를 가지는 솔리톤이 이론적으로 가능하고요.

무리수 분수 값 전하를 가지는 솔리톤도 80년대부터 이론적으로 다 예측이 되어 있어요.

그중에서 가장 특이한 게 3분의 1 분수 치를 가지는 것이고 3분의 1, 5분의 1 이렇게 가는데 3분의 1 분수 값 전하를 가지는 것을 우리가 세계 최초로 찾은 거죠. 

삼 진법이 가능한 것은 3분의 1 분수 전하이기에 그래요.

3분의 1 두 개를 더하면 3분의 2가 되고 세 개를 더하면 다시 1이 되잖아요?

전하 값의 3분의 1씩 늘어나는 것을 통해 삼 진법 연산을 하는 거예요.

가지고 있는 양자량이 분 수화되지 않으면 다진 법이 안 되는 거예요.

이것을 4분의 1로 쪼개면 사 진법이 되는 것이고 그래서 저희가 3분의 1로 쪼개지는 놈, 4분의 1로 쪼개지는 놈을 발견한 것이고요. 그 이상의 진법으로 가려면 더 쪼개는 거예요.

그런데 이 사실이 여기에서만 끝나는 것이 아니라 전자가 쪼개져 있다는 것은 물리적으로 굉장히 특이한 상태이기 때문에 그것을 조금씩 밝혀나가야 하는 상황입니다.

염한웅 교수님은 솔리토닉스라는 새로운 패러다임을 제시하였고 대통령 소속 국가 과학기술자문회의 부의장으로 임명되시기도 하셨죠. 저는 교수님이 늘 말씀하시듯이 솔리톤이 전자 소자의 미래를 구할 슈퍼 히어로이길 바라봅니다.

물리학자 염한웅 교수님은 말합니다.

"연구자들의 조국에 대한 순수한 열정과 창의력을 믿어 주셨으면 좋겠습니다. 그 신뢰가 과학기술의 성패와 새로운 한국의 미래를 좌우할 것입니다."