Hannah Earley가 칩에 버려지는 에너지를 재활용하는 법을 가르침

TL;DR

• Vaire Computing은 계산 중 열로 버려지는 에너지를 회수하는 가역 컴퓨팅(reversible computing) 칩을 개발하며, 데이터 센터와 노트북·스마트폰의 에너지 효율 개선 가능성을 제시함.
• 기존 칩은 계산 과정에서 불필요한 정보를 지우며 에너지를 열로 방출하지만, 가역 컴퓨팅은 중간 정보를 보존해 계산을 역방향으로 실행하고 에너지 일부를 회수하는 방식임.
• Hannah Earley는 회수한 에너지를 저장했다가 재사용하는 특허 출원 중 공진기(resonator)를 설계했으며, Vaire는 구성 요소 구동 에너지까지 고려하고도 손실보다 많은 에너지를 회수한 칩을 발표함.
• 가역 컴퓨팅은 50년 넘게 이론에 머물렀지만 이번 결과는 실용화 가능성을 보여주는 증거이며, 상용화를 위해서는 더욱 현실적이고 설득력 있는 시연이 필요함.
• Earley와 동료들은 기존 칩을 개선하는 대신 가역성을 중심으로 컴퓨터와 제조 시스템을 처음부터 다시 설계하는 과제에 직면함.

열로 버려지는 에너지를 회수하는 칩

• 컴퓨터 칩의 역사에서 엔지니어들은 계산 과정에서 발생하는 폐열을 피할 수 없는 비용으로 취급해 왔지만, Hannah Earley는 이를 설계 선택의 문제로 봄.
• 31세인 Earley는 보통 열로 버려지는 에너지를 재활용하는 칩을 개발하는 스타트업 Vaire Computing의 공동 창업자이자 최고기술책임자(CTO)임.
• 이 전략은 가역 컴퓨팅(reversible computing)으로 불리며, 궁극적으로 데이터 센터와 노트북·스마트폰의 에너지 효율을 크게 높일 가능성을 가짐.
• 기존 컴퓨터 칩은 계산 중 더 이상 필요하지 않은 정보를 지우며, 그 과정에서 에너지를 열로 방출함.
• Earley는 이를 교차로마다 브레이크를 밟으며 도시를 질주하는 상황에 비유함.
• 자동차가 운동량을 잃고 다시 가속하기 위해 연료를 더 태워야 하는 것처럼, 기존 계산 방식도 정보를 지우면서 에너지를 잃음.
• 가역 컴퓨팅은 계산 중간 단계의 정보를 지우지 않고 회로에 보존해 운동량을 유지하는 방식임.
• 계산을 역방향으로 실행해 일부 에너지를 회수할 수 있음.
• 이 아이디어는 50년 전에 처음 제안됐지만, 기존 트랜지스터와 회로로 구현하기에는 비현실적이었음.
• Earley는 에너지 회수가 가능하도록 필요한 하드웨어를 근본적으로 다시 설계함.
• Earley가 설계한 특허 출원 중 공진기(resonator)는 회수한 에너지를 저장했다가 나중에 재사용하는 미세 칩 구성 요소임.

“정말 정교하게 만든 진자에 가까움.”

• Vaire는 지난해 공진기가 구성 요소 구동에 필요한 에너지까지 포함하고도 손실한 에너지보다 더 많은 에너지를 회수한 칩을 발표함.
• 대부분 이론으로 존재해 온 분야에서 이 결과는 기술이 실제로 작동할 수 있음을 보여주는 증거임.

“그들이 흥미로운 무언가를 갖고 있다는 점은 분명함.”

• 전자 설계 자동화 연구자이자 미시간대학교 앤아버 캠퍼스의 전직 교수인 Igor Markov는 기술이 아직 초기 단계라고 평가함.
• Markov는 상용화에 필요한 업계 지원을 끌어내려면 점점 더 현실적이고 설득력 있는 시연이 연이어 필요하다고 봄.

“상용화에 필요한 업계 지원을 끌어내려면 점점 더 현실적이고 설득력 있는 시연이 연이어 필요함.”

정보·에너지·열의 연결

• Earley는 정보와 에너지, 열 사이의 연결이 컴퓨터를 영원히 바꿀 수 있다는 확신을 점차 갖게 됨.
• Earley의 칩 설계 여정은 대부분의 사람보다 일찍 시작됨.
• 9세 무렵 프로그래밍을 시작했으며, 웹을 위한 고수준 코딩에서 출발해 Perl과 Java 같은 다른 프로그래밍 언어로 영역을 넓힘.
• 이후 컴퓨팅의 더욱 추상적인 계층을 차례로 내려가 트랜지스터까지 도달함.
• 케임브리지대학교에서 계산 생물학자 Gos Micklem의 지도로 박사 과정에 등록함.
• 처음에는 DNA 같은 물질을 계산에 활용하는 방법을 연구했지만, 몇 달 뒤 Micklem이 가역 컴퓨팅의 선구자인 Michael Frank의 1999년 박사 학위 논문을 전달함.
• 논문을 한 번 읽고 회의감을 느꼈으며, 다시 읽은 뒤 몇 주 동안 내용을 숙고함.
• 정보와 에너지, 열의 연결이 컴퓨터를 영원히 바꿀 수 있다는 확신을 점차 갖게 됨.

이론에서 실제 하드웨어로

• 이 관심은 Earley의 박사 과정 연구 방향을 완전히 바꿈.
• 계산의 물리적 한계를 연구하고, 일반 프로그램을 가역 프로그램으로 변환하는 소프트웨어를 구축함.

“결국에는 내 논문에 내 이름을 올리지 못하게 했음. 논문 내용을 제대로 설명하는 발표를 할 수 없다고 느꼈기 때문임. 전부 Earley의 작업이었음.”

• 2021년 학위를 마친 뒤 기술 기업가이자 투자자인 Rodolfo Rosini를 만남.
• 두 사람은 같은 해 Vaire를 공동 창업했으며, Vaire는 이후 1,200만 달러 이상을 조달하고 Frank를 선임 과학자로 영입함.
• Vaire는 가역 컴퓨팅의 비전을 실제 하드웨어로 구현하기 시작함.
• 혁신은 하룻밤에 완성되지 않음.
• 2022년 겨울, 아이오와주 Grinnell에서 외부 체감온도가 약 −40 °F까지 내려가는 동안 Earley는 현재 아내의 지하 아파트에서 몇 주를 보냄.
• 가역 논리를 작동시키는 데 필요한 핵심 회로 설계도를 화이트보드에 반복해서 그리며 작업함.
• 부부가 추위를 피해 라스베이거스로 이동한 뒤 설계가 마침내 완성됐지만, 그 순간은 갑작스러운 깨달음보다 점진적인 안도감에 가까웠음.

“완전히 감당할 수 없는 영역에 있는 것은 아님.”

컴퓨터를 처음부터 다시 설계하는 과제

• Earley와 동료들의 다음 과제는 기존 기기와 제조 시스템에 크게 다른 구조의 칩을 맞추는 일임.
• Earley는 미래가 기존 칩을 계속 다듬는 데 있지 않고, 가역성을 고려해 칩을 처음부터 다시 구축하는 데 있다고 봄.

“컴퓨터가 구축되는 방식의 모든 부분을 다루고 싶음. 그리고 이 관점에서 다시 생각하고 싶음.”