50큐비트급 양자컴퓨팅 통해 디지털 '퀀텀 점프'
[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 시작은 4차산업혁명이었다. 네트워크와 플랫폼을 기반으로 데이터가 새로운 자원으로 등장했다. 기존의 시장·규제·국제질서의 판이 깨졌다. 산업과 국제질서는 통신기술, 우주기술, 양자컴퓨팅 등 새로운 기술에 의존하게 됐다.
이같은 추세 속에서 기술패권 경쟁을 더욱 치열하게 만들어놓은 국가는 미국과 중국이다. 미국을 중심으로 유지된 시장이 중국의 맹추격에 흔들리고 있어서다. 중국은 미국 달러의 기축통화로서의 영향력을 축소시키려 사력을 다하는 모습이다. 발달된 중국의 핀테크에 각종 데이터가 흡수되면서 미국도 대응력을 강화하고 있는 분위기다. 자국의 기술경쟁력을 끌어올려 중국의 기술혁신을 지연시키는 게 미국의 속셈이기도 하다.
이런 가운데 미국과 중국은 반도체와 양자 분야에 관심을 쏟고 있다. 정보통신기술(ICT)을 기반으로 한 산업이 앞으로도 확장될 것으로 기대되기 때문이다. 반도체는 하드웨어로 ICT 산업의 핵심이다. 양자는 컴퓨팅 등의 기술을 기반으로한 ICT 산업의 동력이 될 것이라는 게 업계의 전망이기도 하다.
ICT 업계 한 관계자는 "보다 작고 가볍고 빠른 반도체없이는 새로운 ICT 기기를 만들 수 없다"며 "양자 컴퓨팅은 앞으로 ICT 시장의 선두 주자로 갈 수 있는 연료가 될 것"이라고 강조했다.
◆ 2027년 반도체 수출 1700억달러 달성 '정조준'
과학기술 기술패권 경쟁시대의 핵심은 단연 반도체다. 미국과 중국을 중심으로 한 국가들은 이미 글로벌 반도체 기술 확보에 한창이다. 주요 반도체 기업들의 투자도 확대되는 추세다.
미국은 반도체산업에 대한 투자비의 40%를 세액 공제하고 인프라·연구개발(R&D)에 228억달러를 지원한다. 이런 분위기 속에서 인텔은 파운드리 진출을 선언했고 파운드리 공장 증설에만 200억 달러(22조원)를 투자키로 했다.
중국도 반도체 굴기를 위한 집적회로산업 발전 추진 요강을 이미 2014년에 마련했다. 이듬해인 2015년에는 중국제조 2025를 발표하며 반도체 개발에 공을 들이는 상태다. 2025년까지 반도체 자급률을 70%까지 끌어올릴 목표를 세우고 1조위안(170조)을 지원하고 있다. 여기에 14차 5개년 경제계획(2021~2025년)에 고부가가치 반도체 산업 육성을 포함시켰다.
유럽연합(EU)는 '2030 디지털 컴퍼스'를 발표하고 반도체 점유율을 10%에서 20%로 높이는 것으로 목표로 뒀다. 영국은 반도체 기술개발을 위한 투자 전략을 수립했고 네덜란드는 반도체 장비 관련 기술 개발을 위한 투자 및 지원 전략을 마련했다.
대만도 오는 2030년에 반도체 생산액 5조 대만달러 도달을 목표로 세웠다. 소재·장비의 국산화에 팔을 걷은 상황이다. 지난해 반도체 위탁생산 1위업체인 TSMC를 중심으로 275억달러(31조원) 규모의 시설투자도 단행했다. 지난해 행정원 각료회의에서 대만 바도체 제조 우위 유지를 위한 지원책도 발표됐다.
일본은 지난해 반도체 경쟁력 회복을 위해 경제산업성 주도로 '반도체 전략'을 발표했다. TSMC의 R&D센터 및 생산공장의 자국 내 유치 등 파운드리와의 협력도 강화한다. 첨단 반도체 R&D 및 국내 제조 환경 조성을 위한 민관 공동사업체도 구축한다.
국제 사회는 이미 반도체 초미세화 기술을 정교하게 개발하고 있으며 인공지능(AI) 반도체, 첨단 패키징, 신물질 등 차세대 반도체 기술을 선제적으로 확보하기 위해 팔을 걷어붙였다.
우리나라 역시 기술패권 경쟁에 뒤처지지 않기 위해 힘을 모으는 중이다. 우리나라의 실질적인 수출 효자 산업이 반도체이기도 하다.
과학기술정보통신부는 그동안 대규모 예비타당성 사업(차세대 지능형·PIM)과 미래 유망분야 산업(화합물반도체) 등 반도체 분야에서의 원천기술 확보를 위한 선제적인 투자를 확대했다. 차세대 지능형 메모리 반도체 기반인 PIM인공지능 반도체는 프로세서와 메모리가 분리돼 있는 기존 폰노이만 구조에서 벗어나 메모리에서 연산을 수행하는 통합기술로 주목을 받고 있다.
이에 맞춰 ▲차세대지능형반도체 기술개발(2020~2029년) 1조96억원 ▲PIM인공지능반도체 핵심기술 개발(2022~2028년) 4027억원 ▲차세대화합물반도체 핵심기술 개발(2022~2026년) 475억원 등이 투입된다.
여기에 AI·IoT·바이오메디컬 등에 특화된 소자·설계 등 반도체 전주기에 능통한 석박사급 고급 융합인재 육성도 강화한 바 있다. 시스템반도체 융합전문인력 육성(2020~2026년)에도 480억원이 지원되고 있다.
새 정부 들어 반도체 분야는 전폭적인 지원을 받는 분위기다. 윤석열 대통령의 지시로 이종호 과학기술정보통신부 장관은 지난 7일 국무회의에서 국무위원을 대상으로 반도체 특강에 나섰다. 오는 14일에는 국민의힘과 더불어민주당 의원들을 대상으로 국회에서 또다시 반도체 특강을 할 예정이다.
반도체 분야는 실제 국정과제에도 올랐다. 글로벌 반도체 기술패권 경쟁 격화에 대응해 유망분야 선제투자 및 한우물파기 연구지원 등 원천기술 경쟁력 확보가 필요하다는 데 의견이 모였다. 유망분야 R&D에서는 ▲고성능‧저전력 신(新)소자 ▲차세대 메모리 ▲첨단 패키징 ▲PIM반도체 ▲화합물반도체 등 원천기술 개발이 추진된다.
한우물파기 연구 차원에서 향후 10년 이내에 산업에서 활용될 핵심 원천기술 확보를 위한 국가반도체연구실을 선정하고 지원도 검토된다.
반도체 산·학·연 연구협력 강화를 통해 R&D 전략성을 강화하고, 중‧장기 기술개발 로드맵 등 미래 R&D 청사진도 마련한다. 산·학·연 반도체 연구협력 플랫폼 조성으로 기술·인력 등에서 현장 수요에 기반한 정책 추진 환경을 조성한다는 얘기다. 이를 토대로 협력 네트워크, 기술·인력 수요파악, 공동연구, 연구성과 검증 등의 역할을 수행한다는 계획이다. 또 반도체 세부 분야별 10년 이상 중·장기 기술개발 로드맵을 마련해 R&D 투자의 방향과 전략도 제시한다.
만성적인 반도체 인력부족 해결을 위해 정부 R&D 확대를 통한 석·박사급 전문인력 양성 및 별도의 수준별 특화 프로그램도 운영한다. 특화 프로그램으로 학사급 이하, 석‧박사급 과정, 재직자 등으로 분류해 교육 대상자 및 수혜 기업에 최적화된 맞춤 교육과정을 개발해 운영한다.
공공·대학의 나노팹에 있는 노후·공백 상태인 장비의 수준을 높이고 팹 간 연계·협력 체계를 구축해 교육·연구·산업 지원기능도 강화한다. 장비 지원을 위해 기존 나노팹의 시설·장비·공정기술 수준, 이용수요, 노후화 정도 등을 우선적으로 파악할 예정이다. 나노팹 장비, 공정기술에 대한 원스톱 통합정보시스템을 비롯해 서비스 진행 모니터링, 서비스 연계 코디네이터 기능도 도입한다.
과기부 관계자는 "반도체 기술과 산업을 키워 우리나라의 글로벌 경쟁력을 확대하기 위해 기초·원천기술 연구지원을 강화하고 개방형생태계 구축 등에 힘을 쏟을 것"이라며 "여기에 인력양성 규모를 키우고 AI반도체 등 유망분야를 선점하기 위한 노력을 기울일 것"이라고 강조했다.
◆ 50큐비트급 양자컴퓨팅 통한 디지털 '퀀텀 점프'
퀀텀 점프(quantum jump)라는 말은 양자세계에서 어떤 단계에서 다음 단계로 진행할 때 계단의 차이만큼 뛰어오르는 것을 말한다. 연속적으로 발전하기보다는 단번에 대약진한다는 의미로 쓰인다.
실제로 정부는 이런 양자세계에서 비롯된 기술을 통해 디지털 분야의 '퀀텀 점프'를 목표로 두고 있다. 양자기술은 얽힘, 중첩 등 양자 고유의 특성을 활용해 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 초고속연산(양자컴퓨팅), 최신뢰 보안(양자통신), 초정밀 계측(양자센서) 등을 가능하게 하는 파괴적 혁신 기술로 평가된다.
예를 들어 기존 슈퍼컴퓨터 수준으로 100만년 동안 해독을 해야 하는 디지털 암호를 최고 수준 양자컴퓨터를 활용하게 되면 1초면 가능하다. 양자암호통신이 개발되면 해저 광케이블 도감청이나 무선통신 해킹 등을 원천 차단할 수 있다. 양자센서 기술로는 기존의 MRI로 5mm 이하 암세포를 식별하던 것에서 100분의 1 수준의 0.05mm이하 암세포를 식별하고 양자이미징센서로 45km 이상 탐지도 가능하다.
덕분에 양자기술은 미래 산업 경쟁력의 게임체인저로 급부상했다. 양자컴퓨팅의 경우에는 기존의 디지털컴퓨팅보다 30조배 이상 빠른 연산이 가능해 산업 전반에 새로운 가능성과 기회를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
이미 미국은 2018년 양자기술을 미국의 안보를 위한 전략기술로 지정했다. 이후 4년간 12억달러(1조4000억원)을 투자했으며 백악관 직속 국가양자조정실을 설치하고 대통령 자문을 위한 국가양자자문위원회 설립 등도 발표했다.
중국도 양자굴기를 표방하고 양자통신분야에서의 우위 선점에 이어 양자컴퓨팅, 양자센터 분야에서도 미국을 추격중이다. 일본도 양자기술을 인공지능, 바이오와 함께 3대 국가전략기술로 지정했다. 지난해 4월 미-일 정상회담에서 바이오, 양자, 우주기술 등에서 협력을 강화하기로 합의한 바 있다.
우리나라도 양자 컴퓨팅 시대로 올라타기 위해 기술 개발을 재촉하고 있다.
실제 지난 9일 과기부는 '50큐비트 양자 컴퓨터 구축 및 양자인터넷 개발 착수 보고회'를 열고 구체적인 목표를 설정했다. 바로 오는 2030년까지 양자기술 4대 강국이 되겠다는 얘기다.
양자컴퓨팅·양자통신 분야에서 선도국과의 기술 격차를 만회하기 위해 관련 기술과 인프라를 집약적으로 개발할 계획이다. 이를 위해 한국표준과학연구원은 올해부터 오는 2026년까지 490억원을 들여 양자컴퓨팅 연구인프라를 구축한다.
표준연은 오는 2026년까지 초전도 방식의 50큐비트 양자컴퓨터 구축을 완수해 미국, 중국에 이어 세계 3번째로 50큐비트급 양자컴퓨터를 자체 구축한 국가가 되겠다는 목표를 설정했다. 우선 1단계로 33개월동안 20큐비트급 양자컴퓨터를 구축하고 클라우드 서비스를 시연할 계획이다. 이후 2단계로 24개월동안 50큐비트급 양자컴퓨터를 구축하고 관련 클라우드 서비스를 시연한다는 게 표준연의 목표다. 이같은 초전도 양자컴퓨팅 시스템을 구축해 국내 연구자에게 관련 서비스를 제공할 계획이다.
한국전자통신연구원과 한국과학기술연구원은 오는 2026년까지 456억원을 투입해 양자인터넷 핵심원천기술 개발에 나선다.
오는 2036년 양자인터넷 시범 서비스 개시를 목표로 우선 2026년까지 현존 네트워크로는 불가능한 양자정보 전달용 유·무선 초기 중계기를 개발할 계획이다. 또 양자정보 저장에 필수적인 양자메모리 핵심기술도 확보할 예정이다.
양자 인터넷 기술개발 양대 기관인 전자통신연과 과기연을 허브로 KT, SKT, 우리넷, 피피아이, 켐옵틱스 등 산업계와 경북대, 고등과학원, 고려대, 부산대, 성균관대, 서울대, 연세대, 포항공대, 한림대, 한국과기원, 광주과기원, 표준연, TTA, NIA 등 20여개 산·학·연의 역량이 결집될 것으로 기대된다.
양자인터넷 기술개발은 초기단계부터 산업계의 참여를 전제로 해 산·학·연의 긴밀한 연계를 기반으로 추진된다. 이는 세계적 수준의 양자암호통신 장비를 상용화하고 국제표준을 선도하는 성과를 이뤄낸 산·학·연 연계체계와 성공경험을 양자인터넷 연구에도 이식하기 위해서다.
이종호 과기부 장관은 "우리나라가 세계최고 수준의 반도체 선도국가가 되기 위해서는 메모리반도체의 글로벌 리더십을 강화하고 그동안 부족했던 시스템반도체 분야에서도 경쟁력을 키워 나가야 한다"며 "인공지능반도체 역시도 기술혁신과 산업 성장을 전폭적으로 지원할 것"이라고 말했다.
이 장관은 이어 "향후 5년은 양자생태계의 매우 중요한 분기점으로 기술 추격에 나서지 않으면 향후 양자기술 경쟁력 확보를 위한 재도전의 기회는 없을지도 모른다"며 "50큐비트 양자컴퓨터 구축과 양자인터넷 개발은 양자기술 대도약을 위해 반드시 가야할 길인만큼 산·학·연이 협력해 최선을 다해 달라"고 당부했다.
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