"DNA×반도체"로 AI의 소비 전력을 급감? 생체와 전자가 융합된 신형 메모리

생성 AI가 급속히 보급되는 한편, 그 이면에서 심각해지고 있는 문제가 있다.

전력이다.

AI는 모델 그 자체의 성능만으로 성립하는 것이 아니다. 대량의 데이터를 메모리에서 읽어내고, 연산 장치로 보내며, 계산 결과를 다시 기록하는 이 처리를 방대한 횟수 반복하고 있다.

그래서 차세대 컴퓨터에서는 "계산을 얼마나 고속화할 수 있는가"와 같은 만큼, "데이터를 얼마나 적은 전력으로 기억하고 이동시킬 수 있는가"가 중요해진다.

그런 가운데, 컴퓨터의 메모리를 근본적으로 바꿀지도 모르는 연구가 등장했다.

사용된 재료는 놀랍게도 DNA다.

미국 펜실베이니아 주립대학 등의 연구팀은 인공적으로 설계한 합성 DNA와 "페로브스카이트"라고 불리는 반도체 재료를 조합하여, 매우 낮은 전압으로 동작하는 새로운 메모리 장치를 개발했다.

2026년에 Advanced Functional Materials에 발표된 이 연구에서는, DNA를 단순한 "생명 정보를 기록하는 분자"가 아니라, 전자 회로를 구성하기 위한 '기능성 재료'로서 이용하고 있다.

생물학과 반도체 공학.

지금까지 거의 별도로 발전해 온 두 영역이 본격적으로 교차하기 시작하고 있다.

DNA는 "궁극의 기록 매체"라고 불려왔다

DNA라고 하면 많은 사람들이 유전 정보를 떠올릴 것이다.

A, T, G, C라는 4종류의 염기 배열에 의해 생물의 정보를 저장하는 분자다.

그리고 DNA에는 또 하나 놀라운 특징이 있다.

정보 밀도가 극히 높다는 것이다.

펜실베이니아 주립대학의 발표에 따르면, 이론상 DNA 1그램에는 약 2억 1500만 GB의 데이터를 저장할 수 있는 가능성이 있다고 한다.

현재 사용되고 있는 SSD나 HDD 등과는 전혀 다른 차원의 정보 밀도이다.

그 때문에 이전부터 디지털 데이터를 DNA의 염기 배열로 변환하여 장기 저장하는 "DNA 스토리지" 연구가 세계 각지에서 진행되어 왔다.

그러나 이번 연구를 이해하는 데 있어 한 가지 중요한 점이 있다.

이번에 개발된 장치는 사진이나 동영상을 A·T·G·C의 배열로서 DNA 내부에 저장하는 일반적인 "DNA 스토리지"와는 조금 다르다.

DNA 그 자체를 전자 장치의 재료로 이용하고 있는 것이다.

연구팀이 주목한 것은 DNA를 인공적으로 설계할 수 있다는 성질이었다.

"천연 DNA"가 아니라, 전자 회로를 위해 설계된 DNA

생물에서 추출한 천연 DNA는 매우 길다.

연구자의 표현을 빌리면, 다루면 "젖은 스파게티"처럼 엉키기 쉽다.

전자 부품으로서 나노미터 단위로 정확히 배치하고자 할 때, 이 성질은 다루기 어렵다.

그래서 연구팀은 짧은 합성 DNA를 사용했다.

논문에서는 은 나노입자를 포함한 22염기 길이의 합성 DNA가 이용되고 있다.

짧은 DNA라면 길이와 염기 배열, 분자 구조 등을 목적에 맞게 설계하기 쉽다.

즉, DNA를,

"생물에서 추출하여 사용하는 것"

이 아니라,

"컴퓨터 상에서 설계하고 필요한 성질을 갖게 하여 제조하는 나노 재료"

로서 다룬 것이다.

더욱이 연구팀은 이 DNA에 은 나노입자를 추가했다.

소위 도핑이라고 불리는 처리다.

이로 인해 DNA 층의 전기적 성질을 조정하여 전자가 흐르는 경로로서 이용할 수 있게 했다.

그리고 이 은 나노입자를 포함한 합성 DNA와 조합된 것이 준2차원 구조를 가진 할라이드 페로브스카이트였다.

페로브스카이트는 태양 전지 등에서도 주목받고 있는 재료지만, 전기적 성질을 제어할 수 있기 때문에 차세대 메모리 재료로서도 연구되고 있다.

흥미로운 것은 DNA만으로도, 페로브스카이트만으로도 같은 성능이 나오지 않았다는 것이다.

이질적인 두 재료를 조합함으로써 안정적인 전류 경로와 기억 특성이 생겼다.

바로 "바이오 하이브리드"한 전자 장치이다.

개발된 것은 "메모리스터"

이번에 연구된 장치는 "메모리스터"라고 불린다.

Memory와 Resistor를 조합한 명칭으로, 일본어로는 "기억 저항기" 등으로 번역된다.

일반적인 저항기는 전류를 어느 정도 흐르게 할지를 결정하는 전자 부품이다.

한편, 메모리스터는 과거에 어떤 전류가 흘렀는지에 따라 저항 상태가 변화하고, 그 상태를 유지할 수 있다.

즉, 전자 부품 자체가 "이전에 어떤 전기 신호를 받았는지"를 기억할 수 있다.

이것이 AI 연구자들에게 주목받는 큰 이유다.

현재 일반적인 컴퓨터에서는 연산을 담당하는 프로세서와 데이터를 저장하는 메모리가 분리되어 있다.

CPU나 GPU가 계산할 때는,

메모리에서 데이터를 읽어내고
↓
프로세서로 보낸다
↓
연산한다
↓
결과를 다시 메모리로 돌려보낸다

라는 처리가 여러 번 발생한다.

대량의 AI 계산이 되면, 이 "데이터를 운반하는 작업" 자체가 시간과 전력을 소비한다.

메모리스터에서는 기억과 연산을 가까운 장소, 혹은 같은 소자에서 수행할 가능성이 있다.

이것이 "인메모리 컴퓨팅"이나 "뉴로모픽 컴퓨팅"이라고 불리는 차세대 컴퓨터 기술로 이어진다.

0.1볼트 미만이라는 저전압

이번 연구에서 특히 주목받는 숫자가 "0.1V 미만"이다.

논문에 따르면, 개발된 메모리스터는 0.1V 미만의 매우 낮은 전압으로 저항 상태를 전환할 수 있었다.

더욱이 연구팀은 0.01W/cm²라는 낮은 전력 밀도를 보고하고 있다.

내구 시험에서는 약 1000회의 동작 사이클이 나타났고, ON 상태와 OFF 상태의 전기적 차이도 10만 배를 초과했다.

실온·대기 환경에서도 6주 이상 높은 ON/OFF 비율을 유지했다고 한다.

페로브스카이트 계열 장치에서는 안정성이 큰 과제가 되기 때문에, "DNA를 추가함으로써 성능뿐만 아니라 안정성도 개선했다"는 점은 이 연구의 중요한 부분이다.

대학 측의 발표에서는 기존 기술에 비해 "100배 적은 전력을 소비한다"는 설명도 있으며, 이 숫자가 ScienceDaily 등을 통해 크게 보도되었다.

하지만 여기서는 신중히 읽을 필요가 있다.

같은 대학 발표 중에는 "동등한 메모리 기능을 10분의 1의 전력으로 실현할 수 있다"는 기술도 존재한다.

또한, 심사 논문의 요지에서 중심적으로 나타나고 있는 것은 0.1V 미만의 동작 전압이나 0.01W/cm²의 전력 밀도, 내구성, 유지 특성과 같은 장치의 측정 결과다.

따라서 "현재의 SSD나 DRAM을 그대로 100분의 1의 전력으로 할 수 있다"고 받아들이는 것은 이르다.

"100배"라는 숫자는 연구 성과의 임팩트를 나타내는 하나의 비교치로서 받아들이고, 구체적으로 어떤 기존 기술, 어떤 조건과 비교하고 있는지를 볼 필요가 있다.

왜 AI와 상성이 좋은가

이 연구가 단순한 신형 메모리의 이야기에 그치지 않는 이유는 AI와의 상성에 있다.

현재의 AI에서는 뉴럴 네트워크가 널리 사용되고 있다.

인공 뉴럴 네트워크는 뇌의 신경 회로에서 착상을 얻었지만, 현재 주류의 AI 칩이 인간의 뇌와 같은 방법으로 계산하고 있는 것은 아니다.

뇌에서는 뉴런 간의 연결 부분인 시냅스 그 자체가 정보 처리와 기억에 관련되어 있다.

한편, 일반적인 컴퓨터에서는 기억 장치와 연산 장치가 분리되어 있다.

그래서 연구되고 있는 것이 뉴로모픽 컴퓨팅이다.

메모리스터의 저항값을 인공 시냅스의 "결합의 강도"로 비유하면, 거대한 행렬 계산의 일부를 메모리 안에서 직접 실행할 가능성이 있다.

여기서 중요한 것이 소비 전력이다.

인공 시냅스를 수백만, 수억, 더 나아가 그 이상으로 늘렸을 때, 하나하나가 큰 전력을 필요로 한다면 실용적이지 않다.

매우 낮은 전압으로 상태를 바꿀 수 있는 이번의 DNA·페로브스카이트형 메모리스터가 주목받는 이유가 여기에 있다.

장래에는,

AI 가속기
엣지 AI
자율형 센서
로봇
웨어러블 단말기
뉴로모픽 프로세서

등, 제한된 전력으로 대량의 정보를 처리하는 기기에의 응용이 고려된다.

"DNA라서 대량의 데이터가 들어간다"는 조금 다르다

이번 뉴스에서 특히 오해하기 쉬운 부분에도 언급하고자 한다.

"DNA는 1그램으로 2억 1500만 GB를 저장할 수 있다"

라는 이야기와,

"이번에 만들어진 DNA 메모리스터"

를 그대로 결부시켜,

"1그램으로 2억 1500만 GB를 저장할 수 있는 반도체가 완성되었다"

고 생각하는 것은 정확하지 않다.

DNA 스토리지에서는 A·T·G·C라는 염기의 배열 그 자체에 디지털 정보를 기록한다.

이번 장치에서는 합성 DNA는 은 나노입자와 조합되어 전하 수송이나 저항 스위칭을 제어하는 재료로 사용되고 있다.

즉, 연구의 본질은,

"DNA 안에 파일을 저장했다"

는 것이 아니라,

"DNA라는 분자 재료를, 프로그래밍 가능한 전자 재료로서 반도체에 통합했다"

는 것에 있다.

오히려 장기적으로는, 이쪽이 더 큰 의미를 가질 가능성조차 있다.

지금까지 반도체 재료라고 하면, 실리콘, 산화물, 금속, 각종 화합물 등이 중심이었다.

거기에 DNA와 같은 생체 분자가 본격적으로 더해지면, 분자 레벨에서 설계할 수 있는 새로운 전자 재료의 세계가 열리기 때문이다.

SNS에서는 "SF가 현실이 되었다"는 반응

이 연구는 SNS에서도 "biology meets electronics(생물학과 전자공학의 융합)"이라는 문맥으로 소개되고 있다.

X에서는 ScienceDaily의 기사 제목과 함께, "합성 DNA와 반도체에서 초저소비 전력 메모리를 만들었다"는 점을 강조하는 게시물이 확인된다.

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