[테크토크]양자컴 시대 와도…'반도체'는 안 죽어

일반 컴퓨터보다 30조배 빠른 양자컴
상용화 가능해도 '일반 반도체' 의존
양자 오류 보정, 막대한 컴퓨팅 필요
엔비디아·자일링스 등 이득 볼 가능성

흔히 '양자컴퓨터'라고 불리는 물체의 사진을 보면 일반적인 컴퓨터와는 판이한 모양새입니다. 커다란 황동색 판 내부에 수십 다발의 케이블이 얽히고설킨 모습입니다.

전통 컴퓨터보다 아득히 빠르다는 양자컴퓨터가 상용화되면, 우리가 지금까지 사용하던 '실리콘 반도체'는 과거의 산물로 전락할 것만 같은 느낌을 주기도 합니다.

하지만 실제로는 그 반대일 가능성이 높습니다. 양자컴퓨터는 우리에게 생소한 새로운 기술 영역이기도 한 만큼, 우리가 지금껏 사용해 온 일반적인 반도체 컴퓨터칩에 의존하는 기술인 탓입니다.

전통 컴퓨터보다 30조배 빠르지만…'잡음'에 취약한 양자컴

미 IBM이 개발한 양자컴퓨터 [이미지출처=IBM]

일반 컴퓨터는 전기 신호를 이용해 작동합니다. 0과 1로 구분된 '비트' 단위로 데이터를 저장하지요. 반면 양자컴퓨터는 0과 1이 중첩된 양자 물질인 '큐비트'를 기반으로 작동합니다. 이 때문에 전통 컴퓨터보다 최대 30조배는 빠른 연산 속도를 자랑하는 것으로 알려졌습니다.

하지만 양자컴퓨터는 빠른 만큼 취약합니다. 이는 양자 특유의 중첩 상태에 기인한 특징인데, 큐비트는 일반 비트와 달리 극히 작은 '잡음'에도 금세 흩어져 버립니다.

여기서 말하는 잡음은 일반적인 소리뿐만이 아니라, 미세한 중력파나 각종 파장도 포함합니다. 따라서 양자컴퓨터를 제대로 다루려면 큐비트를 안정화하고, 깨진 큐비트를 다시 교정하는 일명 '양자 오류 보정(QEC)' 기술을 완성해야 합니다.

양자컴 혼자선 작동 못 해…대세는 '하이브리드 컴퓨팅'

엔비디아의 '큐퀀텀(Cuquantum)'은 양자컴퓨터의 잡음 문제를 해결하는데 필요한 시뮬레이션 등 알고리즘을 제공한다. [이미지출처=엔비디아]

여기서 '전통 컴퓨터'가 다시 등장합니다. QEC는 양자컴퓨터 내부에 있는 큐비트의 상태를 끊임없이 시뮬레이션하고, 오류를 찾아내고, 보정하는 작업입니다. 이런 알고리즘을 구현하려면 막대한 컴퓨팅 파워가 필요하고, 보통 해당 업무는 슈퍼컴퓨터로 실행합니다.

이 때문에 지금의 양자컴퓨터는 사실 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터를 합친 형태입니다. 일명 '하이브리드 양자 컴퓨팅(HQC)'이라고 합니다. 그리고 HQC에는 일반인에게도 매우 친숙한 컴퓨터칩이 들어갑니다.

일례로 인공지능(AI)용 그래픽처리장치(GPU)로 유명한 엔비디아는 이미 HQC 업계의 큰손 중 하나입니다. GPU의 병렬 컴퓨팅 기능을 이용해 복잡한 QEC 알고리즘을 구현하고, 양자컴퓨터와 일반 컴퓨터 사이의 데이터 교신 속도를 높여주는 기술을 개발합니다. 관련 기술을 종합한 툴킷인 '큐퀀텀(CuQuantum)'도 엔비디아가 개발합니다.

AMD의 자회사인 '자일링스'도 양자컴퓨터 분야에서 활약하는 전통 컴퓨터칩 기업입니다. 자일링스는 데이터센터의 데이터 송수신 속도를 높여주는 특수한 칩인 'FPGA' 기술을 보유한 회사로 유명한데, 이 기술을 양자컴퓨터-일반 컴퓨터 사이의 교두보로 활용합니다.

양자컴 상용화해도…실리콘 반도체 중요성 여전

구글의 양자컴퓨터 연구실. 오늘날 대부분의 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터와 연동한 '하이브리드 컴퓨터'로 개발되고 있다. [이미지출처=구글]

양자컴퓨터가 상용화되는 시기가 오면 이보다 훨씬 많은 일반 반도체를 필요로 할 가능성이 높습니다. 오늘날 양자컴퓨터 상용화를 노리는 수많은 딥테크 스타트업들이 실은 일반 반도체 영역에서 연구합니다.

QEC 알고리즘 개발 분야 선도업체로 유명한 '리버레인(Riverlane)'은 자체 설계한 ASIC(주문형 반도체)로 'QEC 디코더'를 구현합니다. 해당 ASIC를 양자컴퓨터와 전통 컴퓨터 사이에 연결함으로써 기존 방식보다 훨씬 빠른 속도로 큐비트를 위협하는 잡음을 처리할 수 있습니다.

다른 기성 기업들에도 양자컴퓨터 시장의 발전은 더 큰 기회가 될 겁니다. 큐비트 오류를 개선할 시뮬레이션과 보정 작업을 지원하려면 더 많은 중앙처리장치(CPU), 더 빠르고 거대한 메모리칩도 요구될 겁니다.

양자컴퓨터의 잡음을 잡아주는 기술도 대부분 ASIC(맞춤형 반도체) 형태로 개발되고 있다. 사진은 양자컴퓨터 디코더 스타트업 '리버레인'의 칩. [이미지출처=리버레인]

1950년대에 트랜지스터가 개발된 이래로 수많은 종류의 반도체가 탄생했지만, 지금껏 도태되거나 사장된 분야는 단 한 개도 없습니다. 로직부터 메모리, 심지어 아날로그 반도체까지 모두 현실 산업에서 나름의 쓸모를 지니고 있습니다.

양자컴퓨터 또한 모든 반도체 산업을 무위로 되돌리기보다는, '컴퓨터 산업'이라는 거대한 생태계의 한 부속품으로써 서로의 파이를 키워주는 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 높습니다.

임주형 기자 skepped@asiae.co.kr