일상생활에서 만나는 수많은 전자제품에는 대부분 반도체가 들어간다. 작은 반도체 하나에는 무수히 많은 트랜지스터가 조합돼 이들이 신호를 처리하고 주고받는다. 반도체 기술이 진화할수록 반도체 프로세서의 속도도 빨라지고 있다. 반도체 프로세서의 속도는 어디까지 빨라질 수 있을까?

일반적으로 반도체의 집적도를 높이기 위해 트랜지스터를 작게 만들면 개별 트랜지스터의 속도는 빨라지지만 트랜지스터 간의 신호 전달 속도는 느려진다. 트랜지스터가 작아 내부 신호 처리 속도는 빨라지지만 엄청나게 많은 수의 트랜지스터를 금속배선으로 상호연결을 하다 보니 트랜지스터 간에 신호를 주고받는 것이 전체 신호처리 속도를 좌우하게 되기 때문이다.

또 여름에 좁은 장소에 사람이 많아지면 더 더운 것처럼 트랜지스터 밀도가 높아지면 동작할 때 내는 열의 밀도도 커져 반도체가 이를 감당하기 어려워진다. 이는 집적도가 커질수록 더욱 심각해진다. 따라서 반도체의 집적도를 높이려면 단순히 트랜지스터의 크기만 작게 만드는 걸 넘어 부수적으로 발생하는 다양한 문제까지 함께 해소하는 노력이 필요하다.
 
과학자들은 최근 이런 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 빛을 이용하는 방법에 대한 연구를 진행하고 있다. 신호를 전자보다 훨씬 빠르게 주고받을 수 있는 빛의 장점을 살리려는 시도다. 실리콘 포토닉스라는 분야는 쉽게 얘기해서 반도체 칩 내에서 또는 반도체 칩과 칩 간에 광통신을 하는 것으로 생각할 수 있다.

광통신은 빠른 전송속도를 자랑하는 광케이블을 이용한 인터넷과 같이 우리 생활에 이미 널리 사용되고 있다. 그러나 매우 작은 반도체 안에서 빛을 제어해야 하므로 상대적으로 큰 케이블을 이용한 광통신에 비해 극복해야 하는 물리현상이 발생한다.

실리콘에서 레이징 현상 처음으로 관찰

전자와 달리 직진성을 가지는 빛은 제어가 어렵다. 금속 배선을 다양한 형태로 만들더라도 전자는 이를 따라가지만, 빛은 광도파로를 기반으로 설계돼 매질 간의 굴절률 차이와 곡률 등을 제대로 고려하지 않으면 새나가기 때문이다. 또한 광통신에서 제일 중요한 광원으로 활용할 실리콘 레이저가 필요한데 실리콘의 물리적인 특성상 근본적으로 빛을 내기 어려워 이를 개발하기도 쉽지 않다.

그런데 2005년 인텔과 캘리포니아 로스앤젤레스 대학 (UCLA) 연구팀은 각각 외부 레이저를 이용, 실리콘을 펌핑해 실리콘에서 레이징 현상을 처음으로 관찰했으며, 이를 기반으로 관련 소자를 만들어 발표했다. 실리콘이 레이저로 사용될 수 있음을 보여준 중요한 사건이다.

작년 여름 인텔은 1초에 200기가비트의 데이터를 빛으로 주고받는 광변조 칩을 발표했으며 조만간 8개의 광변조기를 25개로 늘려 1초에 1천 기가비트로 처리 속도를 높이고, 3~5년 뒤에 시장에 내놓을 수 있을 것이라고 밝혔다. 지난 달에는 화합물 반도체보다 빠른 속도인 340기가헤르츠의 밴드 폭을 가진 실리콘 기반 포토 디텍터 칩을 발표하기도 했다.

하지만 궁극적으로 집적화된 광반도체 칩을 구현하기 위해서는 전기를 가할 때 레이징이 되는 발광소자가 필요하다. 앞에서 언급한 소자들은 외부 광원을 이용해야 해 모든 단위 소자가 반도체 칩에 집적된 궁극의 광반도체는 아니다. 이를 실현하기 위해 많은 연구 기관이 전기로 동작하는 전기인가형 실리콘 레이저 개발에 심혈을 기울이고 있다.

최근 미국은 국방부 MURI (Multidisciplinary University Research Initiative) 프로젝트를 통해 MIT, 칼텍, 스탠포드, 코넬 등의 연구자들을 모아 전기인가형 실리콘 레이저를 개발하고자 노력하고 있다. 이러한 노력이 결실을 보게 된다면 지금보다 훨씬 빠른 속도의 프로세서를 사용한 컴퓨터를 만날 수 있게 될 것이다.