2009. 9. 2. 08:27ㆍ건강지키기
[테크놀로지 리뷰지의 앞으로 10년 내에 우리의 세상을 바꿀 10대 이머징 기술 소개(03/Feb/2003)]
이번에 소개하는 것은 MIT 공대의 벤쳐 엔터프라이즈인 테크놀로지 리뷰지의 2003년도 선정 "앞으로 세상을 바꿀 10대 이머징 기술"[1])이다. 이들이 선정한 기술은 최근의 디바이스나 기계가 아니다. 이는 아주 새로운 기술들인데, 컴퓨터를 바꾸고, 의술과 의약을 바꾸고, 생산과 유통, 교통, 그리고 현재의 에너지 인프라를 확 바꿀 신 기술들이다. 이는 신기술개발의 선구자인 MIT 공대 미디어 랩의 Nicolas Negroponte 연구소장이 말하는 "아이디어 문화의 창조(Creating a Culture of Ideas)"[2])에 따른 기술 아이디어들이다. 이들이 선정한 10대 신기술들은 각각 기술을 개발하는 연구원들이나 팀원들을 선정하여 자세히 소개하고 있다. 앞으로 10년 내에 도래할 기술들로 Technology Review 기사뿐 아니라 그간 차원용 소장이 연구한 내용들을 첨가하여 소개하고자 한다.
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[목차]
1. 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network) - Motes 개발
2. 주사할 수 있는 조직 엔지니어링(Injectable Tissue Engineering)
3. 나노 솔라 셀(Nano Solar Cells)
4. 메카트로닉스(Mechatronics)
5. 그리드 컴퓨팅(Grid Computing)
6. 분자 이미징(Molecular Imaging)
7. 나노임프린트(나노각인) 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL)
8. 소프트웨어의 신뢰(Software Assurance)
9. 글리코믹스(Glycomics)
10. 양자 암호기술(Quantum Cryptography)
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1. 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network) - Motes 개발
미국 동부 맨 꼭대기 주의 매인(Maine)주 해변에서 떨어져 있는 위대한 오리의 섬(Great Duck Island)은 돌과 풀로 가득찬 90헥타르의 섬인데, 이 곳은 바닷새인 Storm Petrels의 최대의 서식지이며 세계에서 가장 최첨단의 무선 네트워킹 실험장소이다. 2002년 여름에 연구원들은 수십 개의 이 들 바닷새 둥지 서식지에 매우 작은 모니터링 디바이스인 "Motes"라 불리는 것을 장치했다. 이는 파우어 소스인 AA 배터리만한 크기로 이 디바이스에는 프로세서, 매우 작은 컴퓨터 메모리, 빛/습도/압력/열을 감지할 수 있는 센서, 데이터를 가까운 Motes들에게 보내고 다른 Motes들로부터 받은 정보를 패스할 수 있는 라디오 수신기가 장착되어 있다.
[그림 : Mote maker: David Culler의 환경을 모니터링하고 그 리포트를 무선으로 보내는 “motes”(Photograph by Angela Wyant)]
이 디바이스들은 그간 조류(Avian)들의 지능을 수집하는 가장 최첨단 장치들이다. 이 장치들은 조만간 우리의 미래에 적용될 것인데, 우리의 환경, 구축된 기계들, 심지어는 인간까지 모니터링하는 무선 베이스의 배터리 파우어의 센서들이다. 미국 UC Berkeley의 WEBS(Wireless Embedded Systems)[3])프로젝트의 컴퓨터 과학자인 David Culler[4])는 이 분야에 지난 4년간을 연구해왔다. "이는 IT(정보기술)에서 하나의 커다란 기회중의 하나입니다. 저전력의 무선 센서 네트워크는 미래의 컴퓨팅이 어떻게 될 것인지를 사전에 알려주고 있습니다"라고 Culler는 말한다. Culler는 현재 버클리대학에서 잠시 휴가를 떠나 수천 아니 수백만개의 이들 센서들을 만들어 무선 네트워크를 구축하는 프로젝트인 Intel의 "Lablet"[5])에 와 있다. 이 네트워크들은 모든 것들을 관찰하게 될 것인데, 교통상황, 날씨, 지진 활동(Seismic activity), 전쟁터에서의 군대의 이동, 그리고 빌딩이나 다리의 중력(하중) 등을 여태것 존재했던 것보다 가장 정확한 단위로 감지하게 될 것이다.
이러한 네트워킹은 향후 전기 또는 통신 그리드로 전체를 커버해야하기 때문에, Lablet의 첫번째 도전은 Motes 프로토타이프로 하여금 저전력의 배터리 파우어로 무선 통신이 가능하게 하는 것이다. "이 장치들은 서로 서로 듣고 서로 서로 누구인지를 감지함으로써 하나의 네트워크 상에서 스스로 오거나이징 되어야 합니다. 그런데 서로 서로 듣는다는 것은 바로 많은 전력을 소비합니다"라고 Culler는 말한다. 이는 대부분의 시간은 라디오를 끄지만 Mote와 Mote간의 네트워크를 통해 데이터를 주고 받아야 하는데, 이는 바로 인터넷 상의 데이터가 팩킷망으로 전환되고 다시 노드와 노드간의 라우팅되는 방법과 거의 같은 것이다.
Culler 팀이 싸우고 있는 문제는 바로 무선 네트워킹인데, 무선 네트워깅은 인터넷에 의한 데이터 핸들링 프로토콜과 아주 떨어지기 때문이다. 이를 위해 이 Lablet이 시도하는 솔루션은 TinyOS인데, 이는 몇몇 킬로바이트 크기의 데이터만 핸들링하는 컴팩 OS로, 이는 행정적인 작업들과 같은 데이터 팩킷을 엔코딩하고 필요할 때만 라디오를 켜도록 해주는 것이다. 만약 이 TinyOS베이스의 Motes들이 대량 생산된다면 그 비용은 1달러 미만이 될 것이고 그러면 미국 동부의 Maine주에서 서부 캘리포니아주까지 여러 장소에서 필드 테스트가 가능하고, 또한 버클리 소재 지진학자들(seismologists)은 이를 이용하여 지진을 모니터링 감시할 수 있는 것이다.
[그림 : TinyOS 구조]
[TinyOS Version 1.0, 소스코드 - 14/Oct/2002-Download]
http://sourceforge.net/projects/tinyos
이 TinyOS는 누가나 다운 받을 수 있어 Berkeley나 Intel의 외부에 있는 연구원들은 별도의 기술을 개발하지 않고도 한 환경 내에서 무선 센서 네트워크를 테스트할 수 있다. Culler팀의 Motes는 "정말 인에블링(가능한) 플랫폼"이라고 UCLA의 내장네트워크센싱센터(Center for Embedded Networked Sensing)의 소장인 Deborah Estrin은 말한다. Estrin은 현재 San Jacinto 마운틴 산의 무선 마이크로기후 어레이와 이미징 센서를 이용한 자연 보호 연구를 하고 있다.
조만간 이 Motes는 점점더 작아질 것이다. 버클리 컴퓨터 과학자인 Kristofer Pister[6])가 이끄는 스마트더스트(Smart Dust)[7]) 센서 그룹은 원 큐빅 밀리미터의 더스트 마이트(Dust Mites)[8])를 개발하고 있다. 이 정도의 소형화가 이루어지면 무선 센서들은 고속도로의 표면에, 물질들의 구축에, 입고 다니는 옷에, 그리고 우리의 몸에 침투해 들어올 것이다. 그 결과 데이터들의 노다지(Bonanza)는 우리 주변의 물리적 환경을 인간으로 하여금 더욱 이해도를 높이게 될 것이고 우리 생물들의 보금자리들을 보호하게 될 것이다.
기타 이와 비슷한 무선 센서 네트워크를 연구하고 있는 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
[Gaetano Borriello]
http://www.cs.washington.edu/homes/gaetano/
[Deborah Estrin]
http://lecs.cs.ucla.edu/~estrin/
[MICA, MEMS - 하드웨어]
http://www.xbow.com/
[Xbow.com(Crossbow Technology)의 Motes & Sensors의 제품 소개]
http://www.xbow.com/Products/Wireless_Sensor_Networks.htm
[MICA Motes run UC Berkeley's open source Tiny OS Operating System-Download MICA Wireless Measurement System Datasheet (01799-04-2003-TRM-04-E.PDF)]
http://www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/Wireless_pdf/MICA.pdf
[TinyOS & MICA 센서]
http://today.cs.berkeley.edu/tos/
[Read on-Line Sensors Magazine Article on MICA Motes]
http://www.sensorsmag.com/articles/0402/40/
3. 나노 솔라 셀(Nano Solar Cells)
태양은 우리 인간들이 화석연료(Fossil fuels, 석탄, 석유, 천연가스 등의)로부터 독립하는 유일한 그리고 매우 강력한 에너지 자원임엔 틀림이 없다. 그러나 이 태양 에너지를 이용(Harnessing)하는 것은 전적으로 실리콘 웨이퍼(silicon wafers)에 달렸는데, 그 이유는 컴퓨터 칩을 만드는데 사용하는 똑 같은 프로세스에 의해 생산이 되어야 하기 때문이다. 실리콘 웨이퍼의 비용은 솔라 파우어(태양 에너지)의 비용을 화석연료의 비용보다 무려 10배가 올리기 때문이다. 예를 들면 태양 에너지를 인공위성에 적합한 베트트 에너지 자원으로 사용 유지하는데 10배의 비용이 들어간다는 얘기이다.
[그림 : 태양을 보라 - 솔라 셀 효율을 높이는 나노로드 개발자인 Paul Alivisatos(Photograph by Timothy Archibald)]
A. Paul Alivisatos
Professor of Chemistry
E-mail: ALIVIS@uclink4.Berkeley.EDU
Office: B62 Hildebrand Hall
Phone: (510) 643-7371
Fax: (510) 642-6911
Paul Alivisatos[9])는 UC Berkeley의 화학자[10])인데, 이 분야에서 아주 좋은 아이디어를 갖고 있다. 바로 나노 기술을 이용하여 광전지(Photovoltaic)의 물질을 만드는 것이 목표인데, 이 광전지 물질은 플라스틱 포장(Plastic wrap)이나 페인트처럼 널리 사용될 수 있기 때문이다. 나노 셀은 다른 구축되는 물질들과 아주 쉽게 통합이 될 뿐만이 아니라 전기를 대체할 최종의 태양 에너지를 만드는 아주 저렴한 생산비용을 약속하고 있다. Alivsatos의 접근 방식은 전기도체인 폴리미어(Electrically conductive polymers)와 시작한다.
[그림 : 8개의 플라스틱 솔라 셀 패널(UC Berkeley photo)]
다른 연구원들은 이와 같은 플라스틱 물질로부터 태양 셀을 만들려고 노력하고 있지만, 아직도 이 들 디바이스들은 태양 에너지를 전지 에너지로 전환하는데 충분히
효율적이지 못하다. 효율성을 높이기 위해 Alivisatos와 그의 동료들은 새로운 물질을 폴리미어에 첨가하여, 나노로드(Nanorods)를 만들었는데, 바 형태(bar-shaped)의 반도체 무기물(Inorganic)의 크리스털로 이는 60 나노미터의 7나노 미터를 측정할 수 있다. 그 결과 값싸고 융통성 있는 이 물질은 실리콘 베이스의 솔라 셀에서 얻을 수 있는 거의 똑 같은 수준의 효율성을 제공하고 있다. Alvisatos는 따라서 앞으로 3년 내에 이를 이용한 벤쳐기업인 Nanosys 라는 기업을 성공시키고자 하는데, 실리콘 베이스의 시스템과 간은 수준의 에너지를 만드는 나로로드 솔라셀을 런칭하고자 하는 것이다.
프로토타이프의 솔라 셀들은 200 나노미터 두께의 나노로드-폴리미어 시트로 구성되어 있다. 전극의 얇은 층들은 합성(컴포지트) 시트(composite sheets)을 샌드위치 시킨다. 태양 빛이 이 시트에 닿으면 광자(Photons)들을 흡수하고 폴리미어와 나노로드 내의 전극들을 흥분시켜 90%의 합성율을 창출한다. 그 결과 이는 전극들에 의해 운반될 수 있는 사용 가능한 전류를 생산하는 것이다. 이 초기의 시도는 매우 고무적이다. 하지만 아직은 최고의 100%에 도전하기 위한 몇몇 트릭이 실험되고 있다.
첫째, Alivisatos와 긔의 동료들은 새로운 나노로드 물질인 카드미윰 텔루라이드(Cadmium telluride) 바꾸었는데, 이는 처음에 사용했던 카드미윰 셀레나이드(Cadmium selenide)보다 빛을 더욱 많이 흡수하는 것이다. 과학자들은 또한 이 나노로드를 브랜칭 조립(Branching assembladges)으로 일치시키고 있는데, 이 브랜칭 조립은 임의적으로 조합한 나노로드보다 더욱 효율적으로 전자들을 전도한다. "이제 모든 것들이 프로세스의 문제입니다"라고 Alivisatos는 설명한다. 이제 비싼 실리콘 솔라 셀만큼이나 최고의 성능을 창출 못할 이유가 없는 것이다.
[그림 : Cadmium selenide으로 만든 Quantum Rods(Paul Alivisatos)]
나노로드 솔라 셀들은 잉크 젯 프린터로 프린팅되거나 롤 아웃 시킬 수 있으며, 표면 위에 페인팅까지 할 수 있다. "자 이제 버스 위의 빌 보드는 하나의 솔라 수집기가 될 수 있습니다"라고 Nanosys의 비즈니스 개발 담당 이사인 Stephen Empedocles는 말한다. 그는 예견하기를 이와 같은 값싼 물질들은 연간 솔라 셀 시장에서 100억 달러의 시장을 형성할 것으로 본다. 전통의 실리콘 셀을 완전 대체할 것으로 보는 것이다.
Alivisatos의 나노로드는 값싼 솔라 파우어에 도전하는 초기 기술 뿐만이 아니라 솔라 파우어의 하나의 혁명을 시도하고 있는 것이다. 그간 문제가 되고 있는 이슈들을 이 새로운 나노기술 전략으로 해결하고 있다는 점에서 획기적인 것이다. "아마도 다른 연구원이나 다른 그룹들은 우리가 시도하지 못한 새로운 연구에 도전하고 있을 것입니다. 새로운 아이디어와 새로운 물질들은 변화를 위해 항상 오픈되어 있습니다. 따라서 새로운 시도, 무엇이 이머징될 것인지 알기 위해 항상 많은 도전과 실험을 하는 것은 아주 좋은 아이디어입니다"라고 Alivisatos는 말하고 있다.
나노기술 덕분에 이러한 새로운 아이디어들과 새로운 물질들은 조만간 숙녀복 전문점인 부티크(Boutique)에서 월마트에 이르기까지 모두가 전기를 생산하는 그러한 환경으로 전환시킬 것임에 틀림이 없다.
[참조][Nanocrystals, Quantum Dots, and Nature's Own Assembly Line]
http://www.coe.berkeley.edu/labnotes/1102/alivisatos.html
기타 이와 비슷한 연구를 하고 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
Richard Friend
http://www-oe.phy.cam.ac.uk/PEOPLE/OESTAFF/rhf10.htm
U.
Michael Gratzel
Swiss Federal Institute of Technology
http://www.ethz.ch/
Alan Heeger
http://www.ipos.ucsb.edu/ajh.html
U.
N. Serdar Sariciftci
http://www.uni-linz.ac.at/
5. 그리드 컴퓨팅(Grid Computing)
본론으로 들어가기 전에 그리드 컴퓨팅이란 무엇인지 다음 사이트를 참조하여 연구할 필요가 있다. 그리드란 매트릭스(Matrix)를 말한다. 지구의 위도 경도 15도씩으로 나누어 이를 완전 연결하자는 것이다. 전 세계의 모든 컴퓨팅 자원을 연결하여 현재 61억 인구가 모두 인터넷을 사용하게 하자는 아마도 100년 또는 200년의 거대한 인간의 프로젝트이다.
[참조] [그리드(Grid)란 무엇인가?]
http://www.studybusiness.com/HTML/P2P/index.html
1980년대는 인터넷워킹 포로토콜이 우리로 하여금 두 대 이상의 컴퓨터를 연결하게 하였으며 그 이후 네트워크의 네트워크라는 인터넷은 글로벌로 확장되었다. 1999년대에는 하이퍼 텍스트 트랜스퍼 프로토콜(HTTP)이 두개 이상의 다큐먼트들을 연결하게 했으며 그 이후 WWW로 확장되었다. 그리고 이제 2000년 들어 이제 새로운 개념의 그리드 프로토콜(Grid protocols)이 이머징되기 시작했다. 이는 모든 것을 연결하게 하는 것이다. 데이터베이스를 연결하고, 시뮬레이션을 연결하며 비주얼라이제이션 툴들을 연결하고 컴퓨터 내의 마이크로프로세서를 연결하고 DRAM을 연결하고 조만간 이 엄청난 빅뱅의 폭발 중간에 우리는 도달하고 있는 것이다. 만약 여러분 기업의 조직원이 10,000명이라 가정하자. 10,000대의 컴퓨터를 연결하면 이 것이야말로 슈퍼컴퓨터가 되는 것이다. 2기가헬즈 마이크로프로세서 10,000개가 연결되면 그 처리 속도는 얼마나 되겠는가? 생명공학의 그 어떠한 복잡한 프로젝트도 해결할 가공할 만한 슈퍼 컴퓨터가 탄생한다.
[그리드의 개념] 1998년에 Ian Foster와 Carl Kesselman은 그들의 저서 “The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure” 에서 그리드란 "컴퓨테이셔널 그리드란 독립적이고 일관성있게 어디서나 편재된 그리고 값싸게 하이앤드 컴퓨테이셔널 케퍼에 접속할 수 있게 해주는 하드웨어와 소프트웨어 인프라를 의미한다(A computational grid is a hardware and software infrastructure that provides dependable, consistent, pervasive, and inexpensive access to high-end computational capabilities)"라고 적고 있다. 그러다가 이 개념은 Ian Foster와 Steve Tuecke와 공동으로 저술한 2000년의 “The Anatomy of the Grid” 에서 사회적이고 정치적인 개념으로 확장하여 자원공유(Resource sharing)와 문제해결(Problem solving)을 역동성 있게, 버추얼로 코디하는 개념으로 확장되게 된다.
"우리는 미래로 움직이고 있습니다. 이 미래에서는 컴퓨터의 자원들이 어디에 있든 그 것은 문제가 되지 않습니다"라고 Argonne National Lab의 Ian Foster[11])는 말한다. Foster와 USC 정보과학연구소의 Carl Kesselman[12])은 이 그리드 컴퓨팅 개념의 선구자들이다. 이들 두 명의 과학자와 Argonne의 Steven Tuecke[13])는 Globus Toolkit을 개발하는데 선도적인 역할을 했다. 이 Globus[14]) Toolkit은 현재 버전 3.0 알파까지 개발되었는데, 오픈 소스베이스로 현재 사실상의 표준(de facto standard)이 된 그리드 프로토콜이다. 이 프로토콜은 집이나 사무시의 모든 기계들로 하여금 사이버 스페이스로 연결되는 능력을 갖도록한다. 어디에 있든 자원들을 찾아주고 어떤 어플리케이션이 필요하든 찾아주어 이들 자원들을 이들 어플리케이션으로 저장되도록 한다.
[그림 : 그리드 구축자들 - 전기와 같은 유틸리티의 컴퓨팅 - Carl Kesselman (left) and Ian Foster(Photograph by David Deal)]
Ian Foster
Associate Division Director
Senior Scientist
Head, Distributed Systems Lab
Mathematics & Computer Science
ph. +1-630-252-4619
fax +1-630-252-9556
foster@mcs.anl.gov
Ian Foster
Professor of Computer Science
The
Ryerson Hall
Room 155
ph. +1-773-702-3487
fax +1-773-702-8487
foster@cs.uchicago.edu
Carl Kesselman
E-mail: carl@isi.edu
S-mail:
USC/Information Sciences Institute,
Phone: (310) 822-1511 Ext. 338
Fax: (310) 823-6714
Steve Tuecke
Building 221, Office B-159
Mathematics and Computer Science Division
phone: 630-252-8711
fax: 630-252-5986
email: tuecke@mcs.anl.gov
예를 들어 매우 중요한 화약약품과 대처해야하는 긴박한 상황이 일어났다고 하자. 그러면 어떤 화학반응이 관계되어 있는지를 알고 싶어할 것이다. 그리고 날씨와는 어떤 관계가 있는지? 그래서 지금 날씨는 어떤지? 그리고 이 화약약품이 어떤 패턴으로 살포되는지? 현재의 교통상황은? 어느 방향으로 대피해야하는지? 만약 이러한 질문을 오늘날의 인터넷에서 찾는 다는 것은 불가능하다. 호환도 안되고 방문하는 사이트마다 로그인도 해야하고, 그러나 그리드 컴퓨팅에서는 이 것은 쉬운 죽 먹기다. 그리드 프로토콜이 정보를 찾고 접속하고 노든 온라인의 소스 정보들을 불러내고 동시에 안전과 신원인증을 보장하게 하는 표준 메카니즘을 제공하기 때문이다.
지금 세계는 이와 같은 그리드 컴퓨팅을 구축하는데 열을 올리고 있다. 이들은 모두 Globus Toolkit 베이스로 구축되고 있다. 생명공학에서 소립자 물리학 그리고 지진연구까지 전례없는 컴퓨팅 파우어를 구축하고 있다. 미국의 경우 과학재단[15])의 그리드 컴퓨팅은 현재 8,800백만 테라 그리드(TeraGrid)로 가장 커다란 그리드 컴퓨팅 중의 하나이다. 2002년 완성 구축되었을 때, 이 분산 슈퍼컴퓨터는, 일반 목적으로 초당 21조의 플로팅포인트(floating-point)로 연산을 할 수 있다. 이들 그리드 컴퓨팅은 산업계의 강자들인 IBM, Sun, Microsoft 등이 강력히 지원하고 있다. 특히 IBM은 과학재단의 TeraGrid와 다른 그리드 프로젝트의 주요 파트너로서 Globus Toolkit의 상업용 버전을 마케팅 하기 시작했다.
이제 이들 그리드 컴퓨팅은 (1) P2P(peer-to-peer) 컴퓨팅으로, 놀고 있는 데스크탑을 연결하여 그 유명한 SETI@home[16])과 같이 커다란 문제를 푸는 프로젝트로 이동하고 있으며, 같은 맥락으로 200만대의 놀고 있는 PC를 연결하여 천연두 치료법을 발견하자는 Smallpox Project[17])로 발전하고 있는 것이다. (2) 두번째의 활용은 바로 웹 서비스(Web Services)이다. 모든 연결된 웹의 내용들이나 제품과 서비스가 웹 서비스 언어로 제동되는 것이다. 이 두 가지의 진보는 바로 그리드로 가능한 것이다. 이제 곧 끝이 없는 유비쿼터스 컴퓨팅과 네트워킹의 시대가 도래하는 것이다.
기타 이와 비슷한 연구를 하고 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
7. 나노임프린트(나노각인) 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL)
세계에서 가장 작은(Lilliputian) 센서, 트랜지스터, 레이저들이 전 세계의 나노기술 랩에서 현재 개발되고 있다. 이들 디바이스들은 조만간 미래에서 가장 빠른 그러나 가장 값싼 전자컴뮤니케이션을 가능하게 할 것이다. 하지만 연구소를 뛰어 넘어 필요한 나노기술을 만드는 것은 그리 쉬운 일이 아니다. 왜냐하면 반드시 생산기술과 연계되기 때문이다. 생산기술을 알지 못하면 개발이 그만큼 힘들다는 얘기이다. 예를 들어 이러한 생산기술 툴들은 실리콘 베이스의 마이크로 칩을 대량생산하는데 사용되어 지는데, 그러나 아직은 나노팹에는 거리가 먼 것들이며, 그렇다고 특별한 랩 방법은 그만큼 비용이 비싸고, 실제품을 만드는데 그저 시간 낭비일 뿐이다. "요즈음 누가나 나노기술을 얘기합니다. 여기서도 저기서도.... 그러나 나노기술의 상용화는 그 것을 실제로 생산할 수 있느냐에 전적으로 달려있습니다"라고 Princeton 대학의 전기 엔지니어인 Stephen Chou[18])는 말한다. 그는 나노구조 랩(NSL)[19])을 지휘하고 있다.
[그림 : Nano의 Gutenberg - 쉬운 프린팅 프레스 기술로 초소형 디바이스를 만드는 Stephen Chou(Photograph by Flynn Larsen)]
하나의 미케니즘은 단지 점점더 복잡해지고 있는데 그러나 한 가지의 방법은 바로 프린팅 프레스(Printing press)라고 Chou는 믿고 있다, 소프트한 물질에 단지 딱딱한 하드 몰드(Mold)를 붙여, 간격이 10나노 이하들인 구조물을 임프린트할 수 있다고 믿고 있다. 2002년 여름에 이 임프린트 기술의 잠재적인 데모에서, Chou는 직접 실리콘이나 메탈에서 나노 구조를 반들 수 있음을 보여주었다. 파우어플한 레이저로 고체를 플래싱 비추면 표면을 녹여 길게 만든 다음 몰드에 프레스를 가하고 원하는 구조물을 임프린트할 수 있는 것이다.
[그림 : Nanoimprint Lithography - An Enabling Nano-Manufacturing Technology for High-Throughput, Low-Cost, Sub-10 nm Patterning]
[그림 : 10 nm holes and 40 nm pitch in PMMA fabricated by nanoimprint lithography]
Chou가 이 분야의 최초 기술을 시도하고 있는 것은 아니지만, 이 각인 기술은 소프트 리소그래피(Soft Lithography)라 불리는데, Chou의 데모는 나노팹의 바(Bar)를 세팅하는데 기여하고 있다고 Bell Labs의 화학자인 John Rogers는 말한다. "Chou가 성취한 이 혁명적인 기술은 스피드, 패터닝(Patterning) 영역, 그리고 최소형화의 구조물이 가능하다는 관점에서 아주 획기적인 것입니다"라고 Rogers는 말한다. 궁극적으로는 나노임프린팅은 값싸고 쉬운 팹을 위한 절대적인 방법론이 될 것인데, 통신을 위한 광 컴포넌트(optical components)나 분석 스크린을 위한 유전자 칩 등의 제품에서 나노 구조물을 팹 하는데 사용될 것이다. 예를 들어, Chou가 현재 뉴저지주의 Somerset에서 벤쳐 창업한 NanoOpto[20])는 이미 나노 임프린트된 광-네트워킹 컴포넌트들을 만들어 판매하고 있다. 현재 Chou는 유전자 칩에도 도전하고 있는데, 이는 글라스에 임프린트된 나노 채널들로 이동성의 DNA 분자들을 테스트하는 것이다.
[그림 : The first room-temperature silicon single electron memory]
미래의 고성능 마이크로 칩을 위한 나노 패턴을 실리콘에 에칭(Etch)하는 방법에도 도전하고 있다. 이미 기존 트랜지스터의 36배나 작은 마이크로 칩을 만들었다. 보통 많은 층들을 가진 복잡한 칩을 만들기 위해서는 30여 스탬핑(stamping) 프로세스를 거치는 동안 완벽한 일치조정이 필요한데, Chou의 프로세스 경우를 보면, 열이 몰드나 웨이퍼를 왜곡시키므로 히팅과 임프린팅의 각 라운드가 반드시 신속하게 이루어져야만 한다. Chou의 최근의 레이저 히팅 혁신은(laser-heating innovations), 임프린팅 시간을 10초에서 수백만 초(microsecond)이하로 떨어뜨린 것이다. 그 결과 기본적인 멀리 층의 칩을 만들 수 있었으며, 그 다음 복잡한 프로세서나 메모리 칩에 도전하고 있다. 프린스톤 소재 Chou의 또 다른 벤처기업인 Nanonex[21])는 리소그래피 툴 생산자들과 전략적 제휴를 체결하는데 요즈음 바쁜 나날을 보내고 있다.
현재 칩 생산자들은 특별한(Exotic) 팹 기술을 개발하는데 수십억 달러를 투자하고 있다. 이들이 투자하고 있는 분야는 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV)에서부터 전자빔에 이르기까지 다양하다. 하지만, Stanford 대학의 나노 팹 전문가인 R. Fabian Pease는 말하기를 "극자외선 방식이나 전자프로젝션 리소그래피(Electron projections lithography)는 이미 나와 있습니다. 그러나 보세요. 이 나노임프린팅 기술은 앞 기술의 투자액의 일부분만으로 가능한 기술입니다. 정말 좋은 기술이죠"라고 말한다.
[그림 : Multi-Level NIL with Precise Alignment]
[그림 : 60 nm Channel MOSFETs on 4" Wafers with All (4) Layers Fabricated by NIL]
기타 이와 비슷한 연구를 하고 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
8. 소프트웨어의 신뢰(Software Assurance)
9. 글리코믹스(Glycomics)
미국 캘리포니아주의 라호야에 위치한 Scripps Research Institute의 연구원인 James Paulson[22])은 그의 책상에서 1리터의 오랜지 병을 들어 올린다. 이 병에는 설탕으로 가득 차 있는데 이는 대략 1,500만 달러나 나가는 것으로, "만약 내가 이 것을 팔 수만 있다면?"하고 그는 농담을 한다.
Paulson이 한때 같이 운영했던 바이오텍 회사인 Cytel[23])은 설탕(당)을 신세사이징하는 회사이다. 이들 당들은 우리 몸에서 만들어지는 수천가지 중의 하나이다. Cytel의 목표는 이들 당들을 하나의 약으로 전환하는 것이다. 이는 면역 시스템으로 하여금 심장마비나 수술 시에 수반되는 위험을 최소화하는 것이다. 그러나 이와 같은 야망은 실패로 돌아갔다. 그러나 당을 이해하고 당을 궁극적으로 만드는 노력은 헛된 것이 아니다. 지금 글리코믹스(Glycomics)라 불리는 이 분야가 떠오르는 분야로 급부상하고 있는 것이다.
[그림 : 환자를 위한 달콤함 - 당의 파우어 비밀을 밝히는 James Paulson(Photograph by Bryce Duffy)]
James C. Paulson, Professor
Department of Molecular Biology
Joint Department of Molecular Experimental Medicine
Scripps Research Institute
10550 North Torrey
858-784-9634 (phone)
858-784-9690 (FAX)
jpaulson@scripps.edu
Paulson이 현재 공동 창업한 라호야의 또 다른 회사인 Abaron Biosciences[24])가 이 분야의 선구자이다. 새로운 글리코밍 약을 개발하고 있는데, 이 약은 류머티즘 관절염(Rheumatoid arthritis)에서부터 암 세포의 확산까지를 커버하는 건강문제를 해결하는 것이다. 왜 그러면 이 분야가 흥미로운 분야일까? 당은 바로 우리 인간 몸에서 매우 중요한 기능을 하기 때문이다. 특별히 당들은 글리코실레이션(Glycosylation)이라 불리는 하나의 프로세스를 통해 단백질의 기능을 강화하고 결정하는데 중요한 역할을 하기 때문인데, 클리코실레이션이라는 프로세스에서 당들은 새롭게 만들어진 단백질을 포함한 다른 분자들에 붙어있게 된다. "만약 이러한 글리코실레이션 과정이 없다면 생명을 가질 수 없습니다"라고 Paulson은 말한다.
글리코실레이션이나 당 자체들을 조작함으로써, 연구원들은 병의 프로세스를 완전 차단하는 것으로 희망으로 삼고 있다. 또한 신약을 개발하거나 기존의 당들의 기능을 향상시킬 수 있다. 바이오텍 기업의 자이언트인 Amgen 기업은 베스트 판매 약을 개발했는데, 이 약은 Erythropoietin이라는 불리는 단백질로 적혈구(red-blood-cells)의 생산을 도와주는 것이다. 이 약은 두개의 엑스트라 당을 분자에 붙여 만든 것이다. 또 다른 회사들인 GlycoGenesys, Progenics Pharmaceuticals, 그리고 Oxford Glycoscience 기업들은 글리코밍 약을 개발했는데 이는 Gaucher 병에서 Colorectal 암까지의 병들을 테스트한다. "이 분야의 잠재적인 의료는 정말로 엄청납니다"라고 Abaron 사의 공동창업자이며 UC San Diego대학의 유전학자인 Jamey Marth는 말한다.
당의 중요성에도 불구하고, 이들의 비밀을 푸는데 오랜 기간이 흘렀는데 그 이유는 유전자와 단백질의 그늘에 가려져 왔기 때문이다. 또 하나의 이유는 당의 구조를 결정하는 간단한 코드(Code)가 없기 때문이다. 그러나 지난 수십 년간 연구원들은 천천히 당의 기능 실마리를 풀어내기 시작하여, 1980년 말에는 Paulson과 그의 팀원들이 글리코실레이션을 위해 책임을 지는 효소중의 하나를 유전자로부터 분리하는데 성공했다. 이 사건 이후로, 과학자들은 공동으로 당을 연구하여 그 기능들을 이해하기 시작했고, 건강의 기능과 병을 유도하는 기능들을 알게 된 것이다.
이는 정말로 거대한(gargantuan) 작업이다. 연구원들은 40,000 여 개의 유전자가 하나의 인간을 만든다고 추측하고 있다. 그리고 각각의 유전자는 몇 개의 단백질을 만들기 위해 코드(암호)를 가지고 있다. 그리도 당들은 그러한 단백질들을 수정하고, 같은 당들에 다양한 세포들이 다양한 방법으로 붙어 있으며, 다양한 구조들을 형성하게 한다. "이 모든 것들을 다 풀어내는 것은 정말 하나의 악몽입니다. 따라서 이 분야를 진척시키려면 전문가들이 다 모여 같이 협력해야 합니다"라고 Paulson은 말한다. 이를 실제로 추진하기 위해 Paulson은 Consortium for Functional Glycomics[25])을 형성했는데, 이 그룹은 40여명의 연구원들로 구성되어 있으며, 미국의 NIH(National Institutes of Health)로부터 5년 동안 3,400백만 달러의 기금을 받았다.
이러한 노력과 기금의 지원에도 불구하고 Paulson은 강조하기를 이 콘소시엄에서 모든 우리 몸의 당들을 자세히 분석할 수는 없다고 말한다. "우리는 그저 사과로부터 한 입을 물어 낸 것이죠, 그러나 얼마나 달콤합니까? 이 커다란 사과는 정말 답니다"라고 말한다.
기타 이와 비슷한 연구를 하고 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
10. 양자 암호기술(Quantum Cryptography)
우선 본론으로 들어가기 전에 암호화기술에 대한 기본 기술을 살펴보자. 이 분야는 본인도 문외한이라 기본적인 것만 살펴보도록 한다. 전문가들이 본 글을 보고 더 좋은 내용을 주셨으면 한다. 암호화 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째, 비밀키 암호시스템 - 암호화(Encryption)를 할 때와 복호화(Decryption)를 할 때 같은 키를 사용하는 대칭키 암호시스템이다. 둘 다 비밀리에 보관해야 하므로 비밀키 암호시스템이라 부른다.
둘째, 암호화를 할 때와 복호화를 할 때 서로 다른 키를 사용하는 비대칭 암호시템이다. 둘 중의 하나는 비공개이고, 나머지 하나는 공개해도 되므로 공개키 암호시스템이라 부른다. 공개키는 비밀리에 보관할 필요는 없으나 그 주인이 누군지는 확실해야 한다. 정보의 변경 여부를 확인하는 무결성, 사용자의 신분확인을 위한 인증, 사후 자신의 행위에 대한 부인방지 등에 사용될 수 있다. 인터넷은 개방형 또는 분산형 정보통신망 환경이므로 이 공개키 기반구조(Public-Key Infra Systems)로 이루어져 있다. 따라서 인터넷의 무결성, 신분확인, 부인 방지 등 보안 서비스를 효과적인고 광범위하게 이용하도록 다수의 인증기관이 계층적으로 연결된 인증 메카니즘에 의존하고 있다. 따라서 PKI는 이러한 보안서비스의 제공을 위한 인증서의 생성, 처리, 폐지 등의 과정과 전자서명 생성과 확인에 필요한 비공개키, 공개키 등의 각종 키를 관리하는 하드웨어, 소프트웨어, 정책들의 집합인 것이다.
세상은 언제나 비밀에 휩싸여 있다. 정부, 기업, 개인 들 모두는 항상 비밀 속에 산다. 이러한 비밀 없이는 인터넷은 돌아갈 수 없다. 아무리 오픈형이라고도 해도 공개할 것은 공개해도 정보의 보호를 위해 막을 것은 막아야 하는 것이다. University of Geneva의 Nicolas Gisin[26])은 전자통신의 안전을 강화하는 새로운 기술을 개발하는 선구자이다. Gisin이 개발한 툴은 바로 '양자 암호(Quantum crytography)'로 어떤 정보도 안전하게 보낼 수 있고 받을 수 있고, 이 양자암호에서는 설령 도청(Eavesdrop)까지도 감자해낼 수 있는 기술이다.
[그림 : 암호 보호자 - 양자 암호기술을 개발한 Nicolas Gisin(Photograph by Peter Blakely/Corbis/Saba)]
Nicolas Gisin
Professor
Nicolas.Gisin@physics.unige.ch
Phone: +41 22 702 65 97
이 기술은 양자물리학에 기초한다. 원자의 영역을 활용하는 것이다. 원자의 영역을 관찰하여 궁극적으로는 원자의 성질을 변화시키는 것이다. 지난 10년 동안, 양자 암호는 어느 정도 가시화가 이루어졌다. "자 이제 우리는 양자 암호를 실용화할 때가 왔다고 생각합니다"라고 뉴 멕시코에 위치한 Los Almos National Lab의 Richard Hughes는 말한다. Gisin은 이 분야의 최고의 물리학자로 이 기술을 상용화하여 시장에 런칭하고자 한다. 2001년 Univ of Geneva 연구소에서 분사한 벤쳐기업인 id Quantique[27])는 세계에서 최초로 양자 암호 시스템을 개발하는데 성공했다. PC 크기의 프로토타이프 시스템은 무작위 번호 생성기(a random-number generator)[28]) - 이는 복호화 키를 만드는 필수적인 것이다 - 와 양자 시그널을 만드는 빛의 각각의 광자를 방출하고 감지하는 디바이스로 구성되어 있다.
[그림 : Quantum Random Generator]
전통적인 암호화는 강력한 디지털 잠금(록, locks)을 개발하여 정보들로 하여금 다른 나쁜 사람들의 손안에 넘어가지 않도록하는데 집중한다. 그러나 아무리 강력한 잠금을 개발한다해도 누군가 그 키를 훔쳐가면 무용지물이 된다. 그러나 양자 암호기술에서는 "키는 100% 안전하다고 믿어도 됩니다"라고 IBM 연구소의 물리정보그룹의 Nabil Amer는 확신한다. 양자 암호에서는 키 전송은 편광(Polarization)의 방향이 무작위적으로 다양한 광자를 형성하는 작업을 한다. 송신자와 수신자는 편광을 비교하고, 광자와 광자를 비교한다. 만약 누군가 이 시그널에 시도하면 이는 곧 편광을 변화게 하여, 송신자와 수신자는 금방 이 사실을 간파할 수 있다. 그러면 새로운 키를 다시 보내면 된다.
[그림 : QUANTUM KEY DISTRIBUTION (QKD)]
양자 암호는 아직도 갈 길이 멀다. 비양자 암호는, 예를 들어, 공개키기반 암호는 현재 비즈니스에서 널리 사용되고 있다. 그러나 요즈음 신문방송을 보면 이에 도전하는 해커나 도둑들이 활개를 치는 세상이다. 문제는 오늘날의 공개키 기반 시스템은 컴퓨터들이 점점더 속도가 빠르면 빠를 수록, 그만큼 방어에는 약하다는 것이다. 스스로 코드를 파괴할 능력이 없다는 것이다. 누군가 코드에 접속하면 컴퓨터는 스스로 코드를 파괴하고 새로운 코드로 변화해야 하는데 오늘날의 컴퓨터는 그러한 능력이 없기 때문이다. "현존하는 PKI는 충분히 좋은 암호기술입니다. 그러나 언젠가 누군가 그 것을 분명히 파괴할 것입니다. 그러나 양자 암호에서는 어느 누구도 파괴할 수 없습니다. 코드화된 메시지는 영원히 비밀이 간직한 채 남아있을 것입니다"라고 Gisin은 힘주어 말한다.
[그림 : SINGLE PHOTON DETECTION MODULE (SPDM)]
Gisin 은 그러나 그가 직면한 도전에 대한 어떤 망상도 갖고 있지 않다. 예를 들면, 양자 암호는 반드시 빛의 파동(pulse)이 공기를 통해 여행할 수 있는 거리에서만 작동한다는 사실이다. 또는 증폭(Boost)없는 광 섬유(Optical fiber)를 통해서만 작동한다. 만약 광 섬유에서 증폭한다면, 이 증폭 프로세스는 곧 바로 양자가 엔코딩된 정보를 파괴하기 때문이다. 따라서 Gisin팀은 세계의 거리 데이터 기록을 항상 살피고 있다. 그래서 지금까지 스위스의 Geneva와 Lausanne을 연결하는 광 섬유 67킬로미터에 양자키를 전송했다.
그러나 조만간 양자 컴퓨터가 등장한다고 해보자. 이 양자 컴퓨팅은 지금 Gisin이 시도하고 있는 양자 암호까지도 언제나 파괴할 수 있는 엄청난 파우어를 갖을 수도 있다. 그러면 어떻게 되는가? 아마도 이제 미래의 정보보호기술은 비밀의 과학(Science of Secrecy)에 달려 있을 수도 있다. 비밀의 과학이라는 새로운 학문도 등장할 가능성이 높다.
[참고]
[양자 원격 이동(Quantum Teleportation)의 시대가 도래(2001)]
http://www.studybusiness.com/HTML/Digital/01426-12-2001-DIG-02-K.htm
[양자 컴퓨팅의 꿈 및 현재의 개발 단계(2002)]
http://www.studybusiness.com/HTML/Digital/01057-01-2001-DIG-01-K.htm
기타 이와 비슷한 연구를 하고 프로젝트들을 보면 다음과 같다.
키워드 : 10대 기술, 2010년 기술, 양자 암호, Quantum Cryptography, 글리코믹스, Glycomics, 소프트웨어 신뢰, Software Assurance, 나노임프린트 식각기술, Nanoimprint Lithography, 분자 이미징, Molecular Imaging, 그리드 컴퓨팅, Grid Computing, 메카트로닉스, Mechatronics, 나노 솔라 셀, Nano Solar Cells, 나노태양전지, 주사조직 엔지니어링, Injectable Tissue Engineering, 무선 센서 네트워크, Wireless Sensor Networks, 테크놀로지 리뷰, Technology Review
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아스팩국제경영교육컨설팅㈜의 소장이며 한국 사이버대학 겸임교수 및 Univ of Texas/Austin의 IC2연구소의 글로벌 리서치 파트너로 재직중이다. 삼성HP에서 근무했으며, 연대경영대학원(석사)을 졸업하고, 미국 코넬대/버클리대/워싱턴대의 EDP과정 및 영국 사우스샘턴공대의 정보통신기술 과정을 수료하고, http://www.studybusiness.co.kr/ 및 http://www.studybusiness.com/ 사이트에서 그간 연구하고 강의한 내용들을 소개하고 있다. 저서로는 <디지털 비즈니스 게임(청아, 2001)>, <솔루션 비즈니스 마케팅(굿모닝미디어, 2002)> 등이 있으며 교육 컨텐츠 용 단편 사례연구로 50여 편을 저술했다.
[1]) http://www.technologyreview.com/articles/emerging0203.asp
[2]) http://www.technologyreview.com/articles/negroponte0203.asp
[3]) http://webs.cs.berkeley.edu/
[4]) http://www.cs.berkeley.edu/~culler/
[5]) http://www.intel-research.net/
[6]) http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/
[7]) http://www.studybusiness.com/HTML/TRM/01774-13-2003-TRM-06-K.htm
[8]) http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/~shollar/macro_motes/macromotes.html
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[11]) http://www-fp.mcs.anl.gov/~foster/
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[19]) http://www.ee.princeton.edu/~chouweb/
[20]) http://www.nanoopto.com/
[21]) http://www.nanonex.com/
[22]) http://www.scripps.edu/mb/paulson/paulson.cv.html
[23]) http://www.cytel.com/
[24]) http://invent.ucsd.edu/snapshot/selected_licensees.htm
[25]) http://glycomics.scripps.edu/
[26]) http://www.gapoptic.unige.ch/Members/default.asp
[27]) http://www.idquantique.com/
[28]) http://www.gapoptique.unige.ch/Prototypes/QRNG/default.asp
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