[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 반도체에서도 전자파가 나온다

기사입력 : 2019년10월28일 08:00

최종수정 : 2019년11월05일 13:57

[편집자] 4차 산업혁명은 모든 사물과 인간을 연결하여 빅데이터를 모으고, 이를 이용하여 인공지능으로 학습하여, 결국 인공지능이 인간을 대체하는 시대를 말한다. 이러한 4차 산업혁명의 물결이 산업뿐만 아니라 경제, 사회, 정치 등 전 분야에 걸쳐서 막대한 변화를 일으키고 있다.

글로벌뉴스통신사 뉴스핌은 '김정호의 4차혁명 오딧세이' 칼럼을 매주 연재하여 4차 산업혁명의 본질과 영향, 그리고 전망을 독자들에게 쉽게 소개하고자 한다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅으로 표현할 수 있으며 그 핵심 부품이 반도체이다. 이들 핵심 기술의 개념과 원리, 응용을 설명하여 일반 독자들이 4차 산업혁명에 대해서 공감하고 이해하며 더 나아가 개인과 기업, 국가의 미래를 계획하는 것을 돕고자 한다.

김정호 카이스트(KAIST) 전기 및 전자공학과 교수는 서울대 전기공학과를 졸업하고 미국 미시건대에서 박사 학위를 받았다. AI대학원 겸임교수, IEEE펠로우, 카이스트 ICT석좌교수, 한화 국방 인공지능 융합연구 센터장, 삼성전자 산학협력 센터장 등을 겸하고 있다.

치열한 중국의 추격

지난주 중국 저장성(浙江省)에 있는 저장대 국제 캠퍼스에서 'EMC COMPO 2019' 국제 학회가 열렸다. 학회에서의 주된 발표 내용은 반도체에 발생하는 전자파와 관련된 연구 결과의 학술적, 기술적 내용이다.

이를테면, 반도체에서 발생하는 전자파를 줄이는 방법, 차단하는 방법, 걸러내는 방법, 또는 외부에서 반도체로 공격하는 전자파를 막거나 완화하거나 피하는 방법들이다. 구체적으로는 설계 기술, 재료 기술, 모델링 기술, 측정 기술들이 포함된다.

김정호 교수

이러한 전자파 차단 또는 회피 기술은 전통적으로 자동차, 항공기, 군사 무기시스템, 인공위성 설계와 개발에 핵심적인 기술이다. 특히 전자파에 의한 자동차 급발진 문제와 같은 안전에 치명적인 문제들을 방지하고자 하는 기술이다. 주로 미국, 프랑스, 독일, 일본, 중국과 한국에서 연구한다.

EMC COMPO 학회는 약 20년 전에 프랑스 툴루즈(Toulouse)대학에서 시작했다. 프랑스 남부도시인 툴루즈에는 에어버스와 같은 항공기 회사를 비롯한 첨단 기술 회사뿐만 아니라, 군수 기업, 우주산업 기업들이 있다.

톨루즈 대학교수들은 유럽연합(EU)의 연구비 지원과 독일의 자동차 반도체 회사 인피니온 등의 도움을 받아 오랫동안 이 분야를 연구해 왔다. 이 연구 분야는 여기에 머물지 않고 4차 산업혁명 시대의 핵심 기기인 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능 서버 등으로 기술 적용 범위가 계속 확대되고 있다.

3년 전 중국 저장대 국제 캠퍼스를 방문했을 때, 학교는 논과 밭으로 덮여있었고 크레인만 보이고, 흙먼지 날리는 트럭만 보였다. 그 짧은 3년 만에 완전히 바뀌었다. 수만 평의 거대한 국제 캠퍼스를 설립했다. 멋진 강의실, 도서관, 강당과 호수도 조성됐다. 해외 유명 대학의 교수들을 초청하고, 해외 학생들도 유치해 이제 막 국제 캠퍼스의 모습을 갖추기 시작했다.

여기서도 이제 반도체 전자파 연구가 시작됐다. 학생들의 눈빛이 초롱초롱하다. 이런 대학이 중국에는 100개도 넘는다.

2019년 10월 21일 중국 저장대학교에서 열린 EMC COMPO2019 기조연설 장면 사진. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에서도 전자파가 발생해

가정에서는 냉장고, 선풍기, 마이크로웨이브 오븐뿐만 아니라 전열기 등에서 전자파가 많이 발생한다. 특히 모터와 전열기에는 큰 전류가 흐르고, 코일이 설치돼 있어 전자파가 많이 나오고 차폐하기도 어렵다.

그런데 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 항공기에 사용되는 가장 중요한 부품인 반도체에서도 위험한 고주파 전자파가 많이 나온다.

특히 고성능 CPU나 GPU에서 고주파 전자파가 많이 발생한다. 가장 큰 이유는 이들이 큰 스위칭(Switching) 전류를 쓰기 때문이다. 논리 연산에서 전압 레벨이 '0'에서 '1'로 변하거나 '1'에서 '0'으로 변하는데, 이때 고주파 전류가 많이 흐른다.

더욱이 빠른 인공지능 계산 속도를 위해서는 프로세서가 데이터를 외부 메모리와 주고받아야 하는데, 그때 커다란 전류 스위칭 동작이 일어난다. 인공지능 컴퓨터에서는 병렬 프로세서가 사용되는데 연결선의 숫자도 많고, 전류도 많이 흐르고, 스위칭 주파수도 높다. 그래서 어느 반도체보다도 인공지능 반도체가 고주파 전자파를 많이 발생시킨다.

이러한 전자파는 주변 회로나 시스템에 영향을 미쳐 시스템의 오동작을 일으킬 수 있다. 예를 들어 인공지능의 학습이나 판단을 위한 데이터가 전자파에 의해서 변경될 수 있다. 그러면 인공지능이 오동작을 할 수 있다.

또한 전자파 간섭에 의해서 센서 신호나, 메모리 속의 데이터가 변경될 수 있다. 인공지능이 센서 입력 기반으로 학습하고 판단한다. 그래서 만일 전자파 때문에 데이터가 변경된다면 인공지능 자율주행 자동차는 치명적인 사고로 이어질 수 있다.

자율주행 자동차뿐만 아니라 스마트폰에는 많은 안테나를 내장해 외부와 통신한다. 자율자동차의 경우, 이 통신 신호에 기반해 위치와 운행을 결정한다. LTE, 5G뿐만 아니라 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth) 등 멀티미디어 통신에도 간섭을 일으킨다. 이러한 전자파 중에서 고주파 전자파는 대부분 그 원인이 반도체에 있다.

고성능 계산용 프로세서 반도체에서 발생하는 고주파 전자파 노이즈의 파형. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에 필요한 융합 기술

인공지능 반도체에서 발생하는 전자파를 최대한 줄이기 위해서는 차폐를 잘해야 한다. 금속 박막이나 금속선으로 전자파가 새 나가는 것을 막는다. 또는 전송선 구조를 완전한 밀폐 구조로 만든다. 그러려면 더 많은 금속선과 금속박막이 사용된다. 금이나 구리를 더 많이 사용한다. 결국 비용이 증가한다.

또는 회로와 전력 공급망에 고주파 필터를 더 많이 설치해야 한다. 그러면 프로세서 주변에 수백 개의 전원 필터가 달릴 수도 있다. 결국 인공지능 반도체의 비용이 증가할 수밖에 없다. 이와 같은 현상은 클라우드 서버용 인공지능 반도체뿐만 아니라 자율주행 자동차, 스마트폰용 인공지능 반도체에도 모두 해당한다.

인공지능, 반도체, 전자파는 완전히 다른 기술 분야로 생각하기 쉽다. 인공지능은 알고리즘과 소프트웨어로 표현되고, 반도체는 손톱만한 칩으로 보이고, 전자파는 눈에 보이지 않기 때문이다.

대학에서 배우는 전공과목도 다르고, 교과서도 다르고, 지도교수도 다르다. 활동하는 학회도, 학술지도 다르다. 분야마다 사용하는 언어나 방법뿐만 아니라 문화도 다르다. 그런데 인공지능 시스템을 개발하려면, 더 나아가 인공지능용 반도체를 개발하려면 이 모두를 아우르고 고려해서 개발해야 한다. 바야흐로 인공지능 기술은 융합과 복합 기술이다.

MEMRISTOR와 HBM으로 대표되는 인공지능 반도체의 구조. [출처=KAIST]

김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수 joungho@kaist.ac.kr

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광복군, 일본군 무장해제 "항복사실 모르느냐? 변상문의 '화랑담배'는 6·25전쟁 이야기이다. 6·25전쟁 때 희생된 모든 분에게 감사드리고, 그 위대한 희생을 기리기 위해 제목을 '화랑담배'로 정했다. 우리는 그들에게 전의(戰意)가 없는 것을 보이기 위해 기관단총을 모두 어깨에 걸쳤다. 그러고도 만일을 위해서 각각 산개하면서 뛰어내리기 시작했다. 드디어 내 차례가 왔다. 몸을 날렸다. 아. 그때 그 바람 냄새, 그 공기의 열기, 아른대는 포플러의 아지랑이, 그리고는 아무것도 순간적이었지만 보이지 아니했다. 그러나 어쩐 일인가? 우리 주변엔 돌격 태세에 착검한 일본군이 포위하고 있었다. 워커 구두 밑의 여의도 모래가 발을 구르게 했다. 코끼리 콧대 같은 고무관을 제독총에 연결한 험상궂은 방독면을 뒤집어쓴 일본군이 차차 비행기를 중심으로 원거리 포위망을 좁혀오고 있었다. 너무나도 위험한 상황이었다. 이것이 그리던 조국 땅을 밟고 처음 맞은 분위기였다. 동지들은 눈빛을 무섭게 빛내면서 사주경계를 했다. 그러나 아직 기관단총을 거머쥐지는 아니했다. 여의도의 공기가 움직이지 않는 고체처럼 조여들어 왔다. 뿐만 아니었다. 타고 온 C46형 수송기로부터 한 50여m 떨어진 곳의 격납고 앞에는 실히 1개 중대나 되는 군인들이 일본도를 뽑아 든 한 장교에게 인솔되어 정렬해 있었다. 그 앞에는 고급장교인 듯한 자들이 한 줄 또 섰고, 장군 몇 명도 있는 듯했다. 그러나 무엇보다도 8월 18일 한낮의 그 뜨거운 여의도 열기가 우리를 더욱 긴장시켰다. 격납고 뒤에까지 무장한 군인이 대기하고 있었다. 중형전차의 기관포도 이쪽을 향하고 있었다. 환호하는 광복군. [사진= 국사편찬위원회] 비행장 아스팔트 위엔 한여름의 복사열이 그 위기의 긴장처럼 이글대고 있었다. 어느새 우리는 땀에 젖어 있었다. 기막힌 침묵이 십여 분이나 지났다. 그러나 그들은 어떤 행동도 취해 오지 않았다. 마침내 우리가 발걸음을 옮겼다. 우리는 일본군 고급 장교들이 늘어선 쪽으로 한걸음 씩 움직였다. 각자 산개, 조심하라! 누군가가 이렇게 나직하게 말했다. 서해 연안으로 비행기가 고도를 낮출 때 누군가가 유서를 쓰던 일이 이 순간 내 머릿속에서 상기되었다. 일본군 병사들은 우리가 다가서자 의외로 포위망을 풀 듯이 비켜섰다. 우리는 아직 기관단총을 어깨에 멘 그대로였다. 일본군이 길을 열어주자, 그들도 일본군 육군 중장을 선두로 한 장교단이 우리 쪽으로 오기 시작했다. 그가 바로 조선주차군사령관 죠오쯔끼(上月良夫)였다. 쬬오쯔기는 그의 참모장 이하라 소장과 나남 사단장과 참모들을 뒤로 거느렸다. 우리도 좌우로 벌려 섰다. 쬬오쯔기가 「나니시니 이라시따노?(무슨 일로 왔소?)」말문을 열었다. 퍽 야무지게 보였다. 우리는 말 대신 영등포 상공에서 뿌리다 남긴 선전 전단을 내밀어 주었다. 우리의 임무가 일본어와 우리말로 적힌 전단이었다. 거긴 또 우리가 이렇게 들어오게 된 사연도 적혀있었다. 우리는 한 장씩 그 전단을 다른 일본군 장교들에게 나누어 주었다. 쬬오쯔끼는 이를 받아 읽고, "일본은 정전만 한 상태이니 일단 돌아갔다가 휴전 조약이 체결된 다음에 재입국하라"라고 말했다. 그러면서 은근히 위협했다. 자기네 병사들이 꽤 흥분되어 있으니, 만약 돌아가지 않으면 그 신변 보호에 안전책임을 지기가 어렵다는 분위기라고 했다. 이에 이범석 장군이 "네 놈들의 천황이 이미 연합국에 무조건 항복한 사실을 모르느냐? 이제부터는 동경의 지시가 필요 없다는 것을 알아야 한다"라고 맞섰다. 그러나 쉽사리 양보하지 않았다. 옥신각신 말이 몇 번 건너 왔다 갔다. 갑자기 쬬오쯔끼는 한 일본군 대령에게 일을 처리하라고 지시했다. 그러면서 그는 동경서 손님이 오기로 되어 있어 마중을 나와 있던 참이란 말을 하고는 물러가 버렸다" 이범석 장군은 일본군 측에 "조선 총독을 만나 담판 짓겠다'라고 요구했으나 거절당했다. 일본군 무장해제 임무를 띠고 국내로 들어 온 '광복군 국내정진군'은 아무런 소득도 올리지 못한 채 다음 날 8월 19일 14:30분 여의도 기지를 이륙하여 중국으로 돌아갔다. 광복군은 미군정이 시작되고 나서 한참이나 지난 다음에 개인 자격으로 귀국할 수밖에 없었다. 조짐이 좋지 않았다. / 변상문 국방국악문화진흥회 이사장 2025-09-29 08:00

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중국 전기차 주행거리 두배 증가 배터리 개발 [베이징=뉴스핌] 조용성 특파원 = 중국이 에너지 밀도를 두 배 증가시킬 수 있는 전고체 배터리를 개발해 낸 것으로 나타났다. 중국 칭화(淸華)대학 화학공학과의 연구팀은 '음이온이 풍부한 용매화 구조 설계'를 개발해 냈으며, 이를 기반으로 불소 함유 폴리에테르 전해질을 성공적으로 만들어냈다고 중국 관찰자망이 30일 전했다. 해당 연구 성과는 논문 형식으로 국제 학술지인 네이처에 등재되었다. 연구진이 만들어낸 폴리에테르 전해질은 고체이며, 연구팀은 해당 전해질을 사용하여 전고체 배터리를 제작했다. 제작된 전고체 배터리는 604Wh/kg의 에너지 밀도를 기록했다. 이는 현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 150~320Wh/kg인 점을 감안하면 에너지 밀도가 두 배 이상 높아진 것이다. 동일한 무게의 배터리이지만 해당 전해질을 사용한 전고체 배터리는 두 배 이상의 전력을 충전할 수 있는 셈이다. 이론적으로 전기차의 1회 충전 주행 거리가 두 배 증가할 수 있게 된다. 현재 500km가량을 주행할 수 있는 전기차가 1000km를 주행할 수 있게 된다. 해당 전고체 배터리는 안전성 테스트도 통과하였다. 못을 박아도 화재와 폭발이 일어나지 않았다. 또한 120도의 높은 온도의 박스 안에 6시간 동안 방치되었지만, 연소나 폭발이 일어나지 않았다. 또한 500회 이상 충방전을 거치면서도 에너지 저장 용량은 안정적으로 유지되었다. 연구진이 만들어낸 전고체 배터리가 상용화된다면 많은 분야에서 활용이 가능해진다. 전기차의 주행 거리는 두 배 증가하며, 드론의 비행 거리도 두 배 증가하게 된다. ESS(에너지저장장치) 역시 부피당 저장 용량을 크게 끌어올리게 되며 ESS 소형화가 가능해진다. 칭화대 연구진이 개발한 전고체 전해질의 도식도 [사진=네이처 캡처] ys1744@newspim.com 2025-09-30 10:35