[데일리 과학 특집] 램,배터리 없는 스마트폰 -"신용카드 3장 두께에 발열·배터리 난제 모두 풀었다"

단열 전하 복구 로직(ACRL) 기반의 가사가역 가상 양자연산 장치(vQPU) 및 이를 이용한 초저전력 가역 컴퓨팅 시스템  

[서울=뉴스탭] 전 세계 스마트폰 제조사들이 거대 인공지능(AI)을 스마트폰에 집어넣기 위해 기기를 점점 더 두껍고 무겁게 만들고 있는 가운데, 국내 연구진이 스마트폰의 물리적 두께를 신용카드 3.5장 수준인 '2.9mm'로 극단적으로 줄이면서도 발열과 배터리 문제를 완벽히 해결한 차세대 하드웨어 기술을 공개해 세상을 놀라게 하고 있다

HSKG 연구소(소장 정민호)는 10일, 단열 전하 복구 로직(ACRL) 기반의 '가상 양자연산 장치(vQPU)' 아키텍처를 전격 발표하며, 이를 바탕으로 한 2.9mm 두께의 초슬림 'AX(AI Transformation) 스마트폰' 설계 구현에 성공했다고  밝혔다.

이 기술은 구글 딥마인드 안티그라비티(Google DeepMind Antigravity)  HSKG 자체 피지컬 트윈(Physical Twin) 하드웨어 시뮬레이션 및 기술 감사를 성공적으로 통과하며 그 물리적 실효성을 검증 받았다.

■ 껍데기만 바꾼 AI 폰은 끝났다… 부품을 '비워내는' 진정한 AX 스마트폰의 탄생

현재 애플이나 삼성이 주도하는 '온디바이스 AI 스마트폰'은 똑똑해진 소프트웨어를 감당하기 위해 하드웨어가 억지로 팽창하고 있는 상태다무거운 AI 연산을 처리하려다 보니 칩셋이 불덩이처럼 뜨거워지고, 이를 식히기 위해 무거운 방열판(베이퍼 챔버)을 덧대야만 했다 또한, 데이터를 감당할 대용량 메모리(RAM)와 이를 쉴 새 없이 돌려줄 거대 리튬 배터리를 쑤셔 넣느라 기기 두께는 8mm를 훌쩍 넘어섰다.

하지만 HSKG 연구소의 vQPU 기술은 부품을 더 욱여넣는 대신, 놀랍게도 핵심 부품들의 필요성 자체를 아예 '소멸'시키는 역발상을 현실로 만들었다. 스마트폰 내부에서 공간을 가장 많이 차지하던 방열판(-1.0mm), 적층형 DRAM 메모리(-1.0mm), 두꺼운 화학 리튬 배터리(-3.7mm)를 아예 빼버림으로써 기존 스마트폰 대비 60% 이상 두께를 줄여 2.9mm~3.2mm라는 경이로운 초슬림 폼팩터를 달성한 것이다.

[ 어떻게 2.9mm 두께가 가능해졌나? 3대 마법의 원리]

일반인들에게는 마치 마술처럼 들리겠지만, 이 모든 것은 정민호 소장 연구팀이 컴퓨터가 전기를 쓰는 방식 자체를 150년 만에 완전히 뜯어고쳤기 때문에 가능한 과학적 현실이다. 그 핵심 원리는 다음과 같다.

1. 데이터를 지우지 않아 열이 나지 않는다: '발열 제로(Zero-Heat)' 기존의 스마트폰 칩셋(NPU/CPU)은 데이터를 메모리에 쓰고 '지울 때마다' 열역학적 법칙에 의해 필연적으로 열이 발생했다. 스마트폰으로 게임을 하거나 AI를 쓰면 손이 뜨거워지고 화면이 버벅거리는 쓰로틀링(Throttling) 현상이 바로 이 때문이다. HSKG 연구소의 ACRL 기술은 데이터를 지우면서 열을 버리는 대신, 연산에 쓴 전기를 다시 회수하여 쓰는 '가역 연산' 구조를 띠고 있다. 놀랍게도 사용한 전하의 94.7%를 회수하여 재활용하므로, 칩 내부의 발열량이 물리적으로 95% 이상 원천 차단된다. 아무리 무거운 AI 연산을 24시간 돌려도 스마트폰이 단 1°C도 뜨거워지지 않으므로, 1.0mm 두께를 차지하던 무거운 구리 방열판을 폰에서 완전히 뽑아낼 수 있게 되었다.

2. 메모리가 필요 없는 상수 복잡도: 'Zero-RAM I/O' 보통 스마트폰 스펙을 말할 때 "램(RAM)이 8기가다, 12기가다"라며 숫자가 클수록 좋다고 여겨진다. 하지만 이 기술이 적용된 vQPU 칩셋은 아무리 방대한 데이터(4.2GB)를 처리하더라도 자체 코어 메모리를 11.2MB로 영구 고정해버린다. 기존처럼 무거운 데이터를 메모리에 썼다 지웠다 하는 과정을 거치지 않고, 64바이트라는 극소량의 힌트(좌표 벡터)만 던져주면 스마트폰 두뇌가 알아서 그래픽과 결과를 0.458ms 만에 역산해 내기 때문이다. 이를 통해 두께를 1.0mm나 차지하던 두꺼운 메모리 반도체 덩어리(적층형 DRAM)를 폰 내부에서 완전히 치워버렸다.

3. 수 초 만에 완충되는 0.3mm 슈퍼커패시터 탑재: '배터리의 해방' 가장 놀라운 혁신은 스마트폰 두께의 절반 이상을 차지하는 배터리에서 일어났다. 기존 칩셋은 막대한 전기(1.5W~5W)를 먹어치웠지만, vQPU 코어는 전하를 94.7% 재활용하므로 활성 전력이 고작 23.9µW(마이크로와트)에 불과하다. 이는 기존 대비 99.999% 줄어든 극소 전력이다. 이로 인해 폰의 '두뇌(연산장치)'는 배터리 연결선 없이도 스마트폰 표면의 초소형 태양광이나 사람 손의 미세 진동만으로 스스로 전기를 만들어 평생 무충전으로 구동된다. 배터리는 이제 오직 '화면을 켜고 통신하는 데'만 쓰이면 되므로, 두께 4.0mm의 거대한 화학 리튬 배터리 대신 두께 0.3mm의 인쇄형 초박막 슈퍼커패시터(전기 충전 셀)로 완벽히 대체된다. 사용자는 무선 충전 패드에 단 몇 초만 올려두어도 100% 완충되어 온종일 폰을 사용할 수 있는 '수 초 급속 완충'의 시대를 맞이하게 된다.

[내구성, 카메라, 그리고 완벽한 보안까지 아우르는 궁극의 폼팩터]

두께가 2.9mm로 종이처럼 얇아지면 주머니에 넣었을 때 휘어지거나 떨어뜨렸을 때 쉽게 깨질 것이라는 우려가 생길 수 있다. 하지만 HSKG 연구소는 최첨단 소재 공학을 통해 방탄복 수준의 내구성까지 폰에 이식했다.

■ 스마트폰에 적용된 방탄 액체(STF)와 그래핀-티타늄 뼈대 얇지만 강철보다 200배 강한 '그래핀'을 티타늄에 주입한 나노 복합재를 프레임으로 사용하여, 0.8mm 뼈대만으로도 일반 폰 대비 3배 이상의 강도를 지닌다. 특히 스마트폰 내부 빈 공간에는 점탄성 액체인 '전단농축유체(STF)' 나노 패드를 깔았다. 폰을 바닥에 떨어뜨려 강한 충격이 가해지는 순간, 이 부드러운 액체 패드가 즉시 '다이아몬드급'으로 단단하게 굳어지며 충격 에너지의 90% 이상을 흡수해 내부 칩을 완벽하게 보호한다.

■ '카툭튀' 없는 렌즈 매립과 완벽한 밀폐 방수 기존 폰처럼 카메라 렌즈가 툭 튀어나오는 현상을 막기 위해, 수 밀리미터 두께의 렌즈를 0.1mm 이하로 압축한 '평면 메타렌즈' 기술과 렌즈를 폰 내부에 눕혀서 배치하는 '수평 잠망경' 구조를 채택했다. 특히 내부에 고열을 내는 부품이 없어 카메라 모듈 주변이 늘 차가운 '저온 클린 도메인' 상태를 유지하므로, 화질 열화나 노이즈 없는 최고의 사진을 찍을 수 있다. 나아가 스피커 구멍이나 충전 포트를 모두 없애고 나노 코팅을 입혀, 틈새가 하나도 없는 완벽한 방수·방진(IP68 이상) 솔리드 블록 구조를 완성했다.

■ 양자 컴퓨터로도 해킹할 수 없는 데이터 기화(Evaporation) 보안 보안 측면에서도 전례 없는 혁신을 이뤘다. 사용자의 민감한 정보(생체 정보, 금융 데이터 등)가 칩 내부에서 연산이 끝나는 즉시, 잔류 전하가 0.00%로 완벽하게 '기화(Evaporation)'되어 날아간다. 메모리에 그 어떤 자기적 흔적도 남지 않기 때문에, 칩을 훔쳐 급속 냉각시켜 데이터를 빼내는 전문적인 해킹 공격(부채널 공격)을 하드웨어 물리 레벨에서 100% 원천 봉쇄한다.

■ 시장의 판도를 바꿀 선언 이번 특허와 아키텍처 제안은 단순히 폰을 얇게 만드는 기술이 아니다. 기존 AI 반도체 시장을 지배하던 엔비디아(Nvidia)의 발열 심한 GPU와, 수조 원의 돈이 몰리던 두꺼운 고대역폭 메모리(HBM)의 독점 구조를 근본적으로 무력화시킬 수 있는 '반도체 생태계의 패러다임 시프트'다.

HSKG 연구소 정민호 연구소장은 "소프트웨어만 바꾼 무늬만 AI 폰의 시대는 끝났다. 앞으로는 하드웨어 부품을 증설하는 것이 아니라 필요 없는 부품을 '비워내는' 가역 컴퓨팅 아키텍처만이 스마트폰 폼팩터의 한계를 깰 수 있다"며, "발열 제로와 두뇌 무충전 구동을 동시에 달성한 이번 vQPU 설계안은 글로벌 메이저 제조사들이 가장 갈망하던 폼팩터 혁신의 궁극적 해답이자, 차세대 모바일 하드웨어의 글로벌 표준이 될 것"이라고 강한 포부를 밝혔다.

HSKG 연구소는 본 vQPU 기반 가역 컴퓨팅 아키텍처의 국내외 원천 특허를 확보하고 구글 딥마인드의 실증 감사 결과를 바탕으로, 글로벌 스마트폰 제조사 및 파운드리 반도체 기업들과의 양산 협력을 본격적으로 타진할 계획이다.

HSKG 정민호 연구 소장은  글로벌 학술 기관인 크래리베이트(Clarivate)의 'Web of Science'에 정식 등록된 연구자(ResearcherID: PUE-9167-2026)이다. 국제전기전자공학자협회(IEEE)의 공식 에디토리얼 보드 멤버(Editorial Board Member)로 활동하고 있으며, 양자 컴퓨터 및 시스템 아키텍처 분야의 공식 심사위원(Peer Reviewer)으로서 차세대 보안 및 컴퓨팅 인프라 연구를 이끌고 있다.