'수천 년 난제, 계산 안하고 푸는 방법'… KAIST, 실리콘 기반 연산기술 개발

오실레이터 동기화 기반 물리 연산 구조 구현
주파수 편차 보정·다중 비트 결합으로 정밀도 향상
CMOS 공정 그대로 활용, 양산·상용화 가능
물류·금융·반도체 설계 산업 전반 활용 기대

승인 2026-05-06 13:20:48

수천 년이 걸리는 계산 문제를 반도체가 직접 풀어내는 기술이 등장했다.

이는 기존 컴퓨터가 순차 계산으로 접근하던 조합 최적화 문제를 물리 현상 자체로 해결하는 새로운 연산 방식으로, 반도체 기반 하드웨어가 계산 대신 물리적으로 답을 찾는 게 핵심이다.

KAIST 전기및전자공학부 최양규·김상현 교수팀은 기존 실리콘 반도체 공정만으로 구현가능한 차세대 최적화 전용 하드웨어 ‘오실레이터 기반 아이징 머신’을 개발했다.

아이징 머신은 통계물리학의 아이징 모델을 기반으로, 시스템이 에너지가 최소가 되는 상태로 수렴하는 과정에서 자연스럽게 최적 해를 도출한다.

조합 최적화 문제는 가능한 모든 경우의 수 가운데 가장 효율적인 해를 찾는 문제로, 물류 경로 설계, 금융 포트폴리오 구성, 반도체 회로 배치 등 다양한 산업 분야에서 핵심 과제다.

그러나 기존 컴퓨터 구조는 연산장치와 메모리가 분리된 폰 노이만 방식으로 동작해 데이터 이동에 따른 전력 소모와 지연이 크고, 문제 규모가 커질수록 계산량이 기하급수적으로 증가하는 한계가 있다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 물리 시스템의 동기화 현상을 활용하는 아이징 머신 구조에 주목했다.

기존 컴퓨터는 가능한 경우의 수를 하나씩 계산하지만, 아이징 머신은 시스템이 스스로 가장 안정적인 상태로 수렴하는 과정에서 최적 해를 찾는다.

특히 이번 연구는 일정한 주기로 신호를 반복하는 오실레이터를 활용한 것이 특징이다.

여러 오실레이터가 서로 영향을 주고받으며 위상을 맞추는 과정에서 시스템이 안정된 상태로 수렴하고, 이 상태가 곧 최적 해에 해당한다.

이는 순차 계산에 의존하는 기존 방식과 달리 물리적 병렬 연산을 통해 해를 찾는 구조다.

연구팀은 단일 실리콘 트랜지스터를 오실레이터와 커플러 소자로 동시에 활용하는 구조를 구현했다.

기존에는 복잡한 회로나 별도의 소자가 필요했지만, 이번 기술은 트랜지스터의 부유 바디 특성을 이용해 하나의 소자가 스스로 진동하는 오실레이터로 동작하도록 설계했다.

또 게이트 전압을 조절해 각 오실레이터의 주파수 편차를 정밀하게 보정하고, 커플러를 통해 소자 간 결합 강도를 여러 단계로 조절하는 다중 비트 결합 구조를 구현했다.

이를 통해 시스템의 동기화를 안정적으로 유지하면서 문제의 가중치를 보다 정밀하게 반영할 수 있게 됐다.

연구팀은 해당 기술을 활용해 대표적인 조합 최적화 문제인 최대 절단(Max-Cut) 문제를 해결하며 성능을 검증했다.

이 문제는 네트워크를 두 그룹으로 나눌 때 연결 가중치를 최대화하는 문제로, 다양한 산업 분야에 직접 적용할 수 있다.

이번 연구의 가장 큰 강점은 현재 반도체 산업에서 사용하는 표준 CMOS 공정을 그대로 활용했다는 점이다.

이를 통해 특수 소재나 별도 공정 없이 기존 생산라인에서 바로 제조할 수 있어 대량 생산과 상용화 가능성이 높다.

이번 기술은 물류 최적화, 통신 네트워크 설계, 반도체 설계 자동화, 자율주행 경로 탐색 등 대규모 조합 최적화가 필요한 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다.

특히 저전력과 고병렬 연산 특성을 바탕으로 차세대 인공지능 반도체 및 특화 연산 플랫폼으로의 확장 가능성도 크다.

최 교수는 “오실레이터와 커플러를 모두 실리콘 소자로 구현해 확장성과 정밀도를 동시에 확보했다”며 “대규모 최적화가 필요한 산업 전반에서 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 윤성윤 박사과정, 김준표 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 3월 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.
(논문명: Scalable Ising machine composed entirely of Si transistors)