해결에 수천 년이 걸리는 '조합 최적화 문제(가능한 모든 경우 중 가장 효율적인 답을 찾는 문제)'를 풀 수 있는 길이 열렸다. 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 기존 실리콘 공정만으로 구현 가능한 연산 하드웨어(HW)로 이를 가능케 했다. 이를 통해 물류, 금융, 반도체 설계 등 다양한 산업에서 더 빠르고 정확한 의사결정이 가능해질 전망이다.
KAIST는 최양규·김상현 전기 및 전자공학부 교수팀이 여러 진동 소자가 상호작용하며 최적의 해를 찾아내는 특수 목적형 컴퓨터 '오실레이터 기반 아이징 머신'을 구현했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 일정 주기로 신호를 반복하는 '오실레이터'에 주목했다. 여러 개 오실레이터가 서로 신호를 주고받으며 박자를 맞추는 과정에서 시스템은 자연스럽게 가장 안정적인 상태에 도달하고, 이 과정에서 최적의 해를 찾아내기 때문이다.
다만 기존 아이징 머신은 오실레이터 간 미세한 주파수 편차(진동 속도 차이)를 정밀 제어하기 어렵고, 소자 간 연결도 제한적이어서 복잡한 문제를 푸는 것은 어려웠다.
이에 연구팀은 오실레이터와 이를 연결하는 커플러를 모두 단일 실리콘 트랜지스터로 구현하는 새로운 접근 방식을 도입했다.
이로써 오실레이터 간 주파수 편차를 줄여 안정적인 동기화를 가능하게 했으며, 다중 상태 커플링(연결 강도를 여러 단계로 조절하는 방식)을 구현함으로써 문제 가중치(각 조건의 중요도)를 보다 정밀하게 반영할 수 있게 했다.
연구팀은 이 기술로 대표적인 조합 최적화 문제인 '최대 절단(네트워크를 두 그룹으로 나눌 때 연결을 최대화하는 문제)' 해결에 성공했다.
이번 연구의 가장 큰 특징은 현재 반도체 산업에서 사용하는 상보형 금속산화물 반도체(CMOS) 공정을 그대로 활용했다는 점이다. 별도 설비 투자 없이 기존 반도체 생산 라인에서 대량 생산과 상용화가 가능하다.
최양규 교수는 “이번 연구 성과는 오실레이터와 커플러를 모두 실리콘 소자로 구현해 확장성·정밀도를 동시에 확보한 아이징 머신 HW”라며, “반도체 설계 자동화, 통신 네트워크 최적화, 자원 분배 등 대규모 조합 최적화가 필요한 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 윤성윤 박사과정과 김준표 박사가 공동 제1 저자로 참여했으며, 사이언스 어드밴시스에 3월 27일자로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
