d라이브러리

오랜 역사를 가진 전자공학의 연구성과는 요람기에 불과한 광학에 비해 엄청나다. 그러나 광학은 젊은 만큼 장래성도 밝다.

디지틀 전자공학은 컴퓨터로 대표되지만, 그것이 기계로 정보를 다루는 유일한 방법은 아니다. 광학장치(Optical devices)들은 빛의 빔(beam)을 조작함으로써 정보를 처리한다.

30년동안 광학은 공중의 레이다 신호를 지면의 영상으로 변환시켜 왔다. 또한 광학처리장치는 무선주파수의 스펙트럼분석을 하고, 영상을 명확히 하거나, 다른 대상물로부터 되돌아오는 레이다의 특성을 비교한다.

고속 병렬처리

광회로의 매력은 빠른 처리속도와 정보를 병행적으로 처리할 수 있다는 데에 있다. 전자스위치는 가장 빠른 광타입보다 느리지만, 전자회로의 속도에 관한 더욱 심각한 한계는 전자가 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는데 걸리는 시간이다. 빛은 공기와 광섬유 사이를, 전자가 회로를 통과하는 것보다 빠르게 유동한다. 빛은 또한 두 지점을 전자보다 더 직접적인 통로를 통해 이용한다.

실질적으로 모든 전자식 컴퓨터는 순차적(seaquential)이다. 즉 한 순간에 하나의 처리과정만을 수행한다는 뜻이다. 그러나 렌즈와 같은 간단한 광학장치도 순간적으로 많은 입력자료들로부터 정보를 단번에 처리할 수 있다. 광학은 더 많은 접속점(connection)을 갖는 회로를 허락하는데, 광자는 아무런 부하를 갖지 않아 전기적 흐름과는 달리 빛의 신호는 그들의 통로가 맞닿거나 엇갈리더라도 서로 간섭하지 않기 때문이다.

광학적처리는 전자직 컴퓨터보다 낙후되어 있다. 그것은 융통성이 적고, 디지틀이 갖는 정확성을 결여하고 있기 때문이다. 가장 성공적인 광학처리장치는 보안을 필요로하는 민감한 분야들에 응용되었다. 군사기관과 보안기관들에서는 좀 더 나은 광회로들을 개발하고 있지만, 겨우 기초적인 연구가 진행되고 있을뿐이고 일반적인 개념만이 준비된 상태이다.

스타워즈의 실현을 위해

목적중 하나는 '스타워즈(SDI)'를 위한 방대한 요구를 만족시키기 위한 것이다. 광학의 또 다른 목적은, 고안자들이 하나의 칩에 더 많은 회로를 구겨넣으려는 것에서 보이듯이, 정보의 병목현상을 해결하려는 것이다. 미국방부는 광학 신경네트워크를 개발하기를 원한다. 그것은 마치 디지틀컴퓨터라기 보다는 인간의 두뇌와 같은 조직을 가지는 것을 말한다.

전화회사에서는 광섬유 통신회로에 적합한 효율적인 교환기를 요구하고 있다. 산업부분에서 광학장치들은 광학센서로부터 신호를 받아 직접적으로 다루기도 한다. 몇몇 공상가들은 광학이 현재의 가장 우수한 컴퓨터보다 1천배는 더 강력한 컴퓨터의 기초가 되리라고 믿는다.

광컴퓨터는 전자공학이 매우 잘 정립되어 있기 때문에 더 일반화되지 못했다고 할 수 있다. 광학장치들은 광학 논리 게이트(gate)와 같이 전자식 컴퓨터가 정보를 다루는 것과 똑같은 방법으로 처리할 수 있지만, 그것은 30년 혹은 40년전의 전자회로만큼도 정교하지 못하다. 우리는 전자식 컴퓨터로는 다양한 일을 수행하는 프로그램을 할 수 있으나, 아직 가장 훌륭한 광학처리장치라 하더라도 특정한 일에만 이용된다는 것을 시인한다.

광학처리장치를 프로그램하려면 그것의 하드웨어를 고쳐야 한다. 1940년에 기계의 뒷면에서 소킷을 통해 연결된 전선으로 전자식 컴퓨터를 프로그램하던 이후로 수십년이 지났으나 광학적 처리기술은 아직도 전자식 처리방식이 2차대전 중 성취했던 그 단계에 머물러 있다.

광학처리장치는 각 경우에 2진수의 0과 1로 제한되기 보다는 계속적으로 변하는 애널로그적 입력 신호들이 존재한다. 빛이 바로 신호가 되지 않아도 빛의 신호는 렌즈나 프리즘 혹은 다른 장치들을 통과하게 되고 그 장치들은 유형(pattern)들을 만들어내기 위해 신호들을 조작한다.

독특한 형태의 계산에 뛰어나

광학처리장치는 이미 '푸리에'(Fourier)변환과 같은 연산은 전자식 컴퓨터보다 효율적으로 수행한다. 애널로그 신호의 광학적 처리는 독특한 형태의 수학적 연산에 장기가 있다. 복잡한 파동형태를 분석하는 수학적 방법인 푸리에변환이 하나의 중요한 보기이다.

푸리에변환은 공학적분석과 신호처리에 필수적이다. 예를 들어서 렌즈가 간섭성(coherena) 빛(마치 레이저에서 방출되는 것과 같이 같은 주파수와 같은 상을 갖는 빛의 파동)에 촛점을 맞추면, 앞의 촛점면에서의 빛의 유형은 배면의 빛의 유형의 푸리에변환형이다. 만약 그 빛이 두번째 렌즈를 통과하면, 두번째 푸리에변환은 원래의 상을 다시 구성한다.

전자식 디지틀 컴퓨터로 푸리에변환에 접근하기 위해서는 정교화된 프로그램들이 필요하다. 그러나 어떤 광학장치들은 지나가는 빛을 단순히 굴절시킴으로써 푸리에변환을 수행한다. 푸리에변환은 2차원의 상으로 제한되지 않는다. 무선신호와 같이 시간에 따라 변하는 함수의 푸리에변환은 신호를 그 구성요소의 주파수로 분류한다.

이것은 현대전에 있어서 매우 중요한데, 현대전에서는 적의 무선주파수를 앎으로써 통신을 방해하거나 간섭하는데 도움을 줄 수 있다. 또한 푸리에변환은 전파천문학자들이 우주에서 오는 전파의 근원을 추리해 내는 데 도움이 된다.

스펙트럼분석에 따르면 진입하는 무선신호는 결정을 진동시키는 변환기(transducer)에 영향을 미친다. 그 진동은 물질을 통과하면서 빛과 결합하거나 빛을 산란시키면서 그 결정의 밀도와 굴절률을 변화시킨다. 렌즈는 무선신호의 스펙트럼이 보여주는 형태를 만들어내기 위해, 결정으로부터 나오는 빛에 촛점을 맞춘다. 유사한 기술들이 상관성 및 형태인식을 위해 사용되는데, 로봇의 시각시스팀을 위한 것에서부터 첩보위성으로부터 수집되는 자료를 분석하는데 이르기까지 매우 다양하게 응용되고 있다.

기본적인 원리들은 매우 잘 알려져있음에도 불구하고, 이 분야의 모든 업적이 군사기관과 보안기관의 후원으로 이루어졌기 때문에 자세한 내용이나 특정응용들은 거의 알려져 있지 않다.

연구자들은 전자회로내에서 광학접속의 가능성 역시 조사하고 있다. 슈퍼컴퓨터의 개발을 제한하는 가장 큰 이유는 신호들이 회로를 통해 전달되는데 걸리는 시간이다. 회로판을 아무리 서로 가까이 부착해도 그들의 연결회선은 통신하는 속도를 제한한다. 대부분의 전자식 구성요소들은 작아질수록 처리속도가 빨라지지만 회선은 그렇지 못하다.

전송문제는 제조업자들이 하나의 칩 속에 더 많은 전자기능들을 포함시키려 할 때 증가한다. 신호들은 그 계기의 전기적 연결점의 한계숫자에서 병목현상을 일으킨다. 가장 좋은 구성기술은 칩의 가장자리에 3백개 미만의 연결점을 갖도록 압축하는 것이다. 이것은 60~70만개의 트랜지스터를 포함하는 초대규모집적회로(VISI칩)에는 적합하지 못할 것이다. 광학적 접속은 좀 더 밀집되게 장치를 포함시키거나, 칩의 가장자리가 아니라 표면에서 접합하는 것을 가능하게 할 것이다.

시간신호의 분배에 있어서도 전자식보다 광학식이 보다 빠른 연산을 가능하게 한다. 만약 회선을 통해 한 칩에 시(時)신호를 분배한다면 시간 사이클은 하나의 전기적 신호가 그 칩의 길이를 통과하는 동안만큼 지속되어야만 한다. 칩내의 몇개의 빛검출기들에 빛을 비추는 것은 연산의 속도를 빠르게 할 수 있다. 칩 위의 4개의 검출기로부터 반대방향으로 진행되어가는 두개의 신호는 하나의 신호보다 8배나 빠르게 칩의 길이를 통과할 것이다.
 

광스위치의 등장

앞으로 얼마되지 않아서 광스위치들은, 그리고 그것들로 조립된 광학논리장치들은 광범위한 디지틀 광학컴퓨터에 응용될 것이다. 가까운 장래에 그 장치들은 전화의 스위치에 보다 많이 사용될 것이다. 광섬유에 일반적으로 적용가능한 유일한 스위치는 빛을 전기적 신호로 변환시켜야만 한다. 그것은 너무 느려서 광섬유를 통하는 전화통화수를 따라잡을 수 없다.

미국의 AT&T(전신전화)에서는 몇가지 유형의 광스위치들을 연구하고 있다. 그 하나가 '데이비드 밀러'가 개발한 SEED(self electroptic effect device)이다. 그는 1981년, 벨연구소에 참가하기 이전 대학에서 물리학을 강의했다. SEED는 많은 반도체의 얇은 층으로 이루어져있다. 이것은 10억분의 몇초내에 신호를 전환할 수 있다. 벨 연구소는 60피코세컨드(1조분의 60초)내에 온 오프로 스위치할 수 있는 광학적 논리 단말(optical logic station)을 개발해 왔다. 벨 연구소는 이 시간을 0.1피코초로 줄이기를 바라고 있다.

빠른 광스위치를 개발하는 데에 있어서 중요한 요소들은 아직 많이 남아있다. 그 중 하나는 스위치를 작동하는데 드는 에너지를 줄이려는 것이다. 순간적으로 광스위치는 트랜지스터 스위치가 사용하는 만큼의 에너지를 소비한다. 과학자들은 광스위치들이 현재보다 1천배는 빠르게 연산할 수 있고, 실용적으로 되기 위해서는 1천만분의 1만큼의 에너지만 사용하기를 바란다. 이것은 절대로 시시한 문제가 아니다.

인간의 두뇌조직과 같은

광회로의 가장 큰 매력은 빛의 채널들이 정확하고 서로 간섭함이 없이 교차하기도 할 수 있다는 것이다. 전기적 신호들은 절연된 연결들이 필요하다. 따라서 광학은 많은 내부적 접속점을 갖는 회로를 구성할 수 있는 가능성을 열었다. 이것은 마치 인간의 두뇌처럼 작용하는 컴퓨터시스팀을 고안하려는 연구가들의 흥미를 복돋운다.

전자식 컴퓨터와 인간의 두뇌간의 기본적인 차이점은 처리요소들간의 관계에 있다. 전자식 처리장치는 디지틀하고 빠르지만 거의 연계를 갖기 못한다. 신경조직은 훨씬 느리고 애널로그하지만 거의 대부분의 내부가 연계되어 있다. 약간의 연구자들이 전자적인 신경조직망을 연구하고 있지만 나머지 연구자들은 광회로가 광범위한 내부연결을 가능하게 하기 때문에 그 개념을 포착한 것이다.

연구자들은 신경조직이, 디지틀컴퓨터로서는 어렵거나 불가능한, 대상을 인지하는 일을 수행하기를 원한다. 두뇌는 적이 만들어 내는 소리를 기억한다거나, 먹을 수 있는 물고기의 모양을 아는 유형인식을 만들어냄으로써 식별력을 갖는다. 판단은 1백% 정확할 필요는 없으나, 두뇌는 적이 덮치거나 점심먹이가 도망가버리기 전에 결정을 내려야만 한다. 연구자들은 광네트워크만이 이와 유사한 능력들을 제공하고 유형인식을 위한 애널로그 광학 시스팀의 한계를 극복할 수 있다는 것을 인식하고 있다.

몇개의 연구소에서는 광학적 애널로그기억장치를 만들 수 있는 것을 예증하였다. 캘리포니아 기술연구소에서는 사진 필름 위의 영상을 읽는 연상(連想)기억장치를 만들었다. 캘리포니아의 '말리브'에 있는 '휴즈' 실험 연구소는 홀로그램으로부터 정보를 읽어내는 연상광학장치를 만들었다. 펜실베니아대학은 고해상도의 레이다를 이용한 연상 광학기억장치를 위한 팀이 구성했다. 그 시스팀은 완전한 레이다 신호의 10%만 가지고도 항공기를 추적할 수 있다.

이론가들은 연상기억장치의 다른 측면에 대해 연구하고 있다. 몇몇 연구자들은 더 나아가 정보가 저장되어 있는 상태에 따라 변할 수있는 연상광학기억장치에 대한 개념을 내놓았다.

동시에 엄청난 양을 계산한다

하나의 간단한 렌즈는 1억개의 점들을 해상해 낼 수 있다. 따라서 광학은 엄청난 숫자의 동시적인 계산을 할 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 문제들의 첫번째는 벡터(vector)와 행렬을 다루는 문제이다. 이것은 선형대수의 핵심인 숫자들의 집합과 배열들이다.

비록 선형대수가 추상적인 문제일지라도 행렬은 동시에 1차방정식을 풀어내는 것을 강화시키기 때문에 공학이나 물리학에 있어 매우 중요하다. 그러한 방정식은 날씨를 예측하거나, 부하가 많이 걸리는 교량의 응력분포 모형을 만드는데에서 부터 센서들의 배열로부터 어떠한 입력이 어떤 결과를 내는지를 추론하는 문제들까지를 해결하는데 도움이 된다. 후자의 문제는 일반적으로 들릴지는 모르나, 스타워즈를 준비하는 전투에 있어서는 장교들과 마찬가지로 병사들에게도 고민이 되는 것이다.

문제는 또한 행렬의 역을 만드는 것도 포함하는데, 그것은 전자식 컴퓨터조차도 시간이 많이 걸리는 수학적 작업이다. 24시간 후에 관한 일기예보에, 계산하는데만 48시간이 걸린다면 소용이 없는 일이다. 핵공격에 대한 경보가 미사일이 당도한 후에 알려진다면 가치가 없다.

행렬을 처리하는 것은 레이다신호를 다루는데 많이 응용된다. 워싱턴의 미국 항공기 산업협회는 광처리장치를 연구하기 위한 조합을 만들었다. 그 목적은 100×100 배열을 다루는 두개의 행렬의 곱셈을 1밀리세컨드(${10}^{-3}$초)내에 할 수 있는 능력을 5년내에 갖추는 것이다. 장기적인 목표는 현존하는 주요 컴퓨터보다 약 1천배는 더 빠른 간결하고 좀 거칠은 광처리장치를 개발하는 것이다.

아직은 요람기

많은 연구자들이 광학적 슈퍼컴퓨터를 만들기 위해 스위치와 행렬장치를 능가하는 광컴퓨터의 꿈을 갖고 있다. 어떤 사람들은 현재 가능한 것보다 1천배나 더 강력한 컴퓨터를 만드는 것에 대해 말한다. 또 다른 사람들은 광학적 중앙처리장치의 꿈을 갖고 있는데, 오늘날의 크레이슈퍼컴퓨터가 1초내에 1백억개에서 1천억개까지의 연산을 하는 것에 비해, 그것은 1초에 ${10}^{15}$번보다 더 많은 연산을 가능하게 하는 것이다.

다른 한편으로 아무것도 아닌 것이 되어 버린 과거의 빗나간 예견은 베테랑들에게 조심스러울 것을 가르쳤다.

컴퓨터과학의 경향은'광자학'(photonics)으로도 불리우는 광학에 촛점을 맞추고 있는 듯하지만, 광학적기술은 아직은 요람기이고 전자공학은 아마도 정상에 가까운 고지에 접근하고 있다. 그러나 빛의 장래성도, 반도체 전자공학의 한계도 확실한 것은 아니다. 1세기 전에는 '조셉슨' 접합이 미래의 슈퍼컴퓨터의 기술이었다. 그러나 전통적인 전자공학은 기대했던 것보다 더 많은 진보를 한데 비해, 조셉슨 접합방식은 IBM이 이 기술을 포기할 만큼 기술적 장벽에 부딪쳤다. 그럼에도 불구하고 현재의 초전도체는 조셉슨접합 방식을 부활시켰다.

전자공학은 경험이나 자원 그리고 기본적 기술에 있어서 광학보다 앞서 출발했다. 광학은 매우 장래성이 있지만, 특히 광학적 장치들의 위협은 평생을 전통적인 전자공학에 헌신적이었던 사람들을 더욱 자극할 것이기 때문에 쉽게 따라가지는 못할 것이다.