일본 나고야대학, 속도 10배·소비전력 1,000분의 1 편집부(외신) 현재의 슈퍼컴퓨터 이상의 고성능 컴퓨터가 탄생할 것인가. 名古屋大學의 藤卷朗 조교수 등은 종래의 반도체에 비해 속도가 10배, 소비전력이 1000분의 1이라는 초고속·초저소비전력의 마이크로 프로세서를 개발·동작실증에 세계 최초로 성공했다. 기술의 열쇠는 초전도 현상을 이용한 ‘단일자속양자회로’이다. 앞으로의 컴퓨터 등 100기가헬츠에서 동작하는 초고속 고밀도 집적회로(LSI)의 실현을 위한 큰 진전이 되는 성과였다. 약 5천개의 조셉슨 접합을 집적 ‘초슈퍼컴퓨터’에 길 열다 실용화에 큰 기대, 고속화의 벽 최근의 급격한 브로드밴드화 등으로 네트워크 안의 데이터를 처리하는 루터나 서버에는 종래 이상으로 높은 처리능력이 요구되고 있다. 그러나 지금까지의 반도체 회로에는 100기가헬츠 이상이라는 대용량화에 따른 고성능화에 있어 실용화에 커다란 걸림돌이 남아 있었다. 하나는 칩의 발열문제이다. 실리콘으로 대용량화하면 전류의 저항으로 칩 1평방미터당 발열량은 조리용 핫플레이트의 10배에 달할 정도이다. 이것으로는 반도체에 이용하고 있는 실리콘이 열로 녹아 버린다. 발열문제와 함께 배선이 길어짐에 따른 신호전달시간의 지연문제도 고속화의 벽이 되어 왔다. 이러한 과제를 해결하기 위해 주목한 것이 극저온 상태가 되면 저항이 없어지는 초전도의 성질을 이용한 단일자속양자회로. 양자화된 자속의 최소단위를 단일자속양자(SFQ)로 부르는데, 단일자속양자회로는 SFQ의 유무를 신호인 ‘1’이나 ‘0’에 대응시켜 연산하는 회로이다. 빛의 속도로 최대의 특징은 고속성이다. 정보를 운반하는 자속양자는 질량이 없기 때문에 빛의 속도로 소자 안을 진행한다. 현재의 반도체가 최대여도 전자가 움직이는 속도밖에 되지 않으므로 그 차이는 2~3자릿수나 된다. 또 반도체 회로가 1회의 동작에 1만개의 전자가 관여하는데 대해, 단일자속양자회로는 최소단위인 자속양자 1개가 빛의 속도로 감속 없이 전달한다. ‘자속양자 1개를 조종하는 마이크로프로세서’(藤卷 조교수)라고 불리는 이유가 그것이다. 발열문제 해결 또 하나의 특징은 낮은 소비전력이다. 전압이 펄스 상태로만 발생되기 때문에 반도체의 1000분의 1의 전력으로 회로가 작동, 발열의 우려는 거의 없다. 이러한 특징 때문에 종래의 반도체보다 1자릿수 이상이나 고속으로, 3자릿수 이상이나 저소비전력의 LSI를 만들 수 있는 것이다. 이렇게 우수한 특성을 가진 단일자속양자회로이지만 대규모 집적회로(IC)에서의 실증은 지금까지 어려웠다. 펄스라는 상당히 짧은 파장에서의 신호를 제어하는 설계기술이 없었기 때문이다. 실증을 위해 우선 SFQ의 움직임을 피코초(1조분의 1초)에서 제어하는 설계기술의 확립을 목표하였다. 이것은 조셉슨 소자 등 IC내의 각 소자가 제작 시에 뿔뿔이 흩어지더라도 정상적으로 동작하도록 회로의 적정화를 꾀하여 해결했다. 또 회로동작의 저해요인이 되는 잡음제어의 해결에도 주력했다. 잡음이 회로에 들어가지 않도록 하는 연구로서 초전도체에 자장을 차폐하는 효과가 있는 것을 이용, 전원선을 초전도체로 감싸서 잡음의 영향을 억제했다. 연구개발은 藤卷 조교수, 橫浜국립대학의 吉川信行 조교수 등이 공동으로 했다. 이렇게 설계한 마이크로프로세서는 약 5,000개의 조셉슨 접합을 1.8×2.8밀리미터의 기판에 집적화했다. 조셉슨 접합은 초전도 회로에서의 스위치가 되어, 반도체의 트랜지스터에 대응하는 중요한 구조의 하나다. ‘조셉슨 접합 수는 단일자속양자회로로서 세계 최고 수준’이라고 자랑한다. LSI로 최고속 이것을 마이크로프로세서로서 동작한 결과, 가산 등의 연산 속도를 나타내는 동작주파수는 15.2기가헬츠로 LSI로서 최고속이 되었다. 그때의 소비전력은 1.6밀리와트로 종래 반도체의 1000분의 1 이하를 달성. 초고속성과 초저소비전력성을 실증했다. 지금까지의 실증에서 조셉슨 접합 수는 최고 6,300개까지 집적화에 성공했다. “아직 집적도가 충분치 않지만 연구를 더 진행시켜 2010년경에는 고성능의 슈퍼컴퓨터 분야에서 실용화하고 싶다’고 크게 기대하고 있다. (NK)