공동 연구 논문에서 20 GHz에 달하는 쓰기 속도를 가진 '광학 래치'를 설명했다.
연구원들은 향후 최대 60 GHz로 작동하는 빛 기반 프로세서 캐시를 구현할 수 있는 프로토타입을 개발했으며, 이는 일부 최신 프로세서 캐시보다 약 20배 빠른 속도입니다. 상용 플랫폼인 GlobalFoundries의 300mm Fotonix 광학 플랫폼을 사용하여 제작된 기능성 재생형 "광자 메모리 래치(photonic memory latch)"는 표준 SRAM 비트의 광학적 대응물로 설계되었으며, 연구팀은 이를 완벽한 광학 프로세서에 필요한 핵심 구성 요소로 간주합니다. 다만, 이 기술을 광학 프로세서에 완전히 통합하려면 추가적인 밀도 향상이 요구됩니다.
이 프로토타입은 현대 고성능 시스템의 고질적인 두 가지 병목 현상, 즉 상호 연결 지연(interconnect delay)과 정보를 빛과 전기로 반복 변환하는 과정에서 발생하는 비용 문제를 해결합니다.
광자 가속기(Photonic accelerators)와 광학 인터포저(optical interposers)는 데이터를 초고속으로 이동시킬 수 있지만, 여전히 비트를 저장하고 새로 고치기 위해 전자 메모리에 의존합니다. 결과적으로 모든 데이터 경로는 빛의 상태를 벗어나 전기 영역을 거쳐야 하는 한계를 갖습니다. 본 연구에서 USC와 UW 엔지니어들은 데이터가 전적으로 빛의 형태로 저장, 안정화 및 출력이 가능한 메모리 시스템을 구축함으로써 이러한 격차를 해소했습니다.
[주요 성과 요약]
- 빌 게이츠 지원 실리콘 포토닉스 스타트업, 현재 기술보다 10,000배 작은 광학 트랜지스터 개발
- 광학 장치, 빛을 통해 최대 25 Gbps 속도로 데이터 전송, 초저지연 및 최대 25km 범위 구현
- 연구원들, 15 기가바이트/초 전송 무선 트랜시버 구축, 5G 연결 대비 24배 빠름
이 장치는 SRAM 셀의 동작을 병렬적으로 구현하는 교차 결합형 차동(cross-coupled, differential) 아키텍처를 사용합니다. USC ISI의 Ajey Jacob과 UW-Madison의 Akhilesh Jaiswal이 이끄는 연구팀은 이를 광학적으로 쓰기가 가능하고, 상태가 드리프트(drift) 없이 유지되는 래치 구조라고 설명합니다. 연구진은 이미 저자들에 의해 래치 아키텍처를 완전한 광자 SRAM 시스템으로 확장하는 시뮬레이션 연구(래치가 단일 SRAM 비트의 광학적 등가물 역할 수행)가 발표된 바 있습니다.
UW-Madison의 연구는 해당 설계에서 기대되는 성능을 제시하며, 쓰기 속도는 20 GHz에 근접하고 모델링된 읽기 속도는 50~60 GHz에 달한다고 합니다. 이 수치는 오늘날 CPU와 가속기에 사용되는 전자 SRAM의 클럭 속도(일반적으로 2~3 GHz 수준)보다 훨씬 높은 수치입니다.
다만, 이러한 초고속 성능은 면적(footprint)의 상충 관계를 동반합니다. 광자 부품은 여전히 나노 스케일 CMOS 트랜지스터보다 수 배에서 수 자릿수 큰 크기를 가지므로 밀도에 큰 제약이 따릅니다. 따라서 연구원들은 크기 제한 요소가 아닐 응용 분야, 즉 데이터 센터 및 HPC 시스템 내부의 고대역폭 링크 등에 중점을 두고 있습니다.
이 래치를 GlobalFoundries의 Fotonix 플랫폼에서 제작하기로 결정한 것은, 광학 메모리 연구에서 흔히 요구되는 특수 재료나 맞춤 제작 공정 단계를 우회하여 기술의 재현성과 확장성이 용이하다는 이점이 있습니다.
남부 캘리포니아 대학교 정보 과학 연구소(USC ISI)와 위스콘신-매디슨 대학교(UW-Madison) 연구진은 12월 6일부터 10일까지 샌프란시스코에서 개최된 국제 전자 소자 회의(IEDM)에서 연구 결과를 발표했습니다.