소리(음파)도 도달하기까지 시간이 걸린다

고등학교 때 교련 수업이 있었다. 고교생에게 군사교육을 시키는 수업이었는데 총검술, 제식훈련, 총기 분해조립 등 기초 군사 훈련을 받는다. 전교생이 교련복을 입고 사열 행진도 한다. 전교생이 학년과 반에 따라 운동장에 줄 지어 서 있고, 학생 밴드부의 행진곡에 맞추어 교단 앞으로 줄 맞춰 지나가는 행사다. 나는 발걸음을 북소리와 줄과 열을 맞춰 열심히 움직였다.

그런데 운동장 끝 다른 반 학생들의 행진 발걸음을 보면 나의 발걸음이 약 3분의 1 정도 차이가 났다. 그 때 그 이유를 곰곰히 생각해 보니, 북소리가 나에게 들리는 시점과 운동장 건너편 학생들에게 들리는 시점의 차이가 원인이었다.

그 이유는 바로 음파의 전달 속도가 1초에 340m로 제한돼 있기 때문이다. 운동장 크기가 100m라고 한다면 운동장 양 끝에서 들리는 학생 밴드부의 북소리는 약 3분의 1초 만큼 차이가 날 수밖에 없다. 운동장이 더 넓으면 학생들 발걸음을 동기화하기 더 어려워진다.

운동장에서 학생들의 행진시 그 행진의 총 진행 양은 행진의 줄 수, 학생들의 발걸음 속도에 비례하게 되는데, 이 행진 발걸음 속도가 바로 이 북소리의 속도에 비례한다. 또한 운동장 전체 학생의 행진이 북소리에 동기화 되어야 한다. 여기서 북소리의 속도와 동기화 정도를 한계 짓는 것이 바로 북소리의 속도와 음파의 속도이다. 북을 빨리 쳐야 한다.

4차 산업혁명의 성패 결정하는 '음파의 동기화' 

고교 시절의 경험을 소개한 이유는 음파의 동기화가 4차 산업혁명의 성패를 결정짓는 변수기 때문이다.

컴퓨터 내부, 컴퓨터에 필요한 반도체 혹은 컴퓨터간 서로 데이터를 주고 받기 위해선 시간 약속이 필요하다. 데이터의 출발 시간과 도착 시간을 서로 알아야 한다.

그렇다면 컴퓨터 내부, 컴퓨터에 필요한 반도체 혹은 컴퓨터간 시계가 동기화 될 수 있는가 하는 의문이 생긴다. 교련시간의 행진에서 아무리 각자가 열심히 북소리에 맞추어 행진해도 운동장 끝과는 시간차이가 날 수밖에 없다. 

두 가지 회로를 예로 들면 컴퓨터 내부에 GPU와 메모리가 같은 시계로 동기화 될 수 없다. 아무리 빛이 빨리 전파해도 1초에 30만㎞밖에 달리지 못한다. 요즘 최고 성능의 반도체나 컴퓨터는 ps (피코초, 1조 분의 1 초) 단위로 동작한다. 앞으로는 1fs(펨토초, 1000 분의 1 ps) 단위로 동작할 것이다. 1ps 에 빛은 약 300 um(마이크로 미터) 밖에 전파하지 못한다. 반도체 회로 안으로 들어가면 물질의 유전상수로 인해서 1ps 에 빛은 100um 밖에 전파하지 못한다. 시간 지연이 있을 수밖에 없다. 그러니 컴퓨터 내부의 데이터를 주고 받는데, 시계에 맞춰 데이터를 정해진 시간에 주고 받는다. 그런데 시계가 같지 않다.

빛의 속도보다 빠른 '컴퓨터 시계' 필요한 시점

아인슈타인이 상대성 이론을 발견하던 그 시기, 세상은 식민지와 본국간의 시계를 맞추는 일이 중요했다. 19세기 말은 제국주의의 시대였고 본국과 점령지들 사이의 시계를 동기화시키는 것(시간을 지배한다는 것)은 정치적으로도 의미가 있었다. 또한 파리의 열차시간과 쮜리히의 역의 기차 시간을 동기화 할 수 있는 것인가가 의문이었다. 또, 이런 시대적 배경이 있었기에 시계들을 동기화하는 것에 당시 사람들의 관심은 컸다. 그 시기 아인슈타인은 특허국에서 일하면서 수많은 관련되는 특허를 보고 영감을 얻었을 것이다.

4차 산업혁명기에는 인공지능 컴퓨터의 시계를 반도체 내, 컴퓨터 내, 컴퓨터 간의 맞추는 것이 핵심적인 의문점이 되고 있다. 4차 산업혁명을 선도하기 위해서는 컴퓨터 반도체 내의 시계와 동기화가 핵심이 된다.

정보를 전달하고 시계를 동기화하는 최대 속도는 빛의 속도로 한정된다. 4차 산업혁명을 위해선 빛의 속도보다 빠른 속도로 전파하는 컴퓨터 시계가 필요하다.

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]