대만의 반도체 우위가 양자 컴퓨팅에 중요한 이유
대만의 반도체 제조 역량은 국내 양자 컴퓨팅 생태계를 구축하려는 새로운 움직임의 핵심이다. 최근 중앙연구원과 산업기술연구원(ITRI)의 고위 관계자들은 정부와 업계에 대만의 반도체 강점을 양자 하드웨어와 소프트웨어, 인재 육성의 동력으로 삼으라고 촉구했다. 큐비트 장치부터 극저온 제어 전자장치에 이르기까지 모든 양자 시스템의 중심에는 반도체가 있다. 이에 대만은 규모만으로 예상되는 것보다 빠르게 도약할 수 있는 실질적인 기회를 얻고 있다.
목차
양자 기계를 차별화하는 것은 큐비트, 즉 여러 상태를 동시에 가질 수 있는 장치다. 큐비트는 취약하다. 열과 진동, 불필요한 전기 신호는 큐비트의 정보를 빠르게 파괴한다. 대부분의 설계는 절대영도에 가까운 온도에서 작동한다. 큐비트를 생성하고 측정하며 제어하는 칩은 극저온에서도 정밀하고 잡음이 적으며 안정적으로 작동해야 한다. 이런 부품의 제조에는 정밀 리소그래피와 첨단 소재, 높은 수율을 위한 공정 제어 등 최첨단 반도체를 뒷받침하는 기술이 활용된다.
대만은 이미 인공지능과 고성능 컴퓨팅을 구동하는 세계 최첨단 로직 칩의 대부분을 생산한다. 애널리스트들은 대만 파운드리가 글로벌 플랫폼에 사용되는 최첨단 공정의 약 90%를 담당하는 것으로 추산한다. 대만은 희석 냉동기 안에 들어가야 하는 고밀도 장치를 연결하는 데 중요한 패키징과 테스트 분야에서도 앞서 있다. 현지 전문가들이 대만이 반도체 주도권을 양자 분야의 실질적 진전으로 이어갈 수 있다고 보는 이유도 이런 강점의 결합에 있다.
파운드리에서 큐비트까지 이어지는 역량
현대 반도체 생산의 여러 역량은 양자 연구에 직접 활용할 수 있다. 초정밀 리소그래피와 클린룸 운영 경험은 초전도 회로와 실리콘 양자점의 큐비트 구조 제작을 뒷받침한다. 첨단 패키징과 상호 연결 기술은 잡음을 더하지 않으면서 수천 개의 제어선을 극저온 환경으로 연결하는 데 도움이 된다. 성숙한 공정 제어는 오늘날 양자 장치의 규모 확대를 제한하는 두 요소인 균일성과 수율을 높인다. 전자장치 분야에서는 대만이 보유한 무선주파수 칩과 고속 인터페이스 경험을 활용해 큐비트 가까이에 배치하고 배선 복잡성을 줄이는 극저온 제어 칩을 설계할 수 있다.
타이베이 전문가들이 제안하는 과제
중앙연구원 주요 현안 연구센터의 석좌연구원 겸 양자컴퓨팅 주제센터 집행위원인 천치둥은 명확한 목표를 제시했다. 국내 역량을 구축하자는 것이다. 그는 대만이 장치와 제어 소프트웨어, 테스트 플랫폼을 아우르는 전방위적 노력을 추진해야 한다고 주장했다.
천 연구원은 국가 차원의 추진 필요성을 설명하며 대만이 반도체 강점을 활용해 완전한 양자 프로그램을 마련하고 여러 분야의 전문가를 양성해야 한다고 말했다. 그는 다음과 같이 강조했다.
대만은 반도체 분야에서 절대적인 우위를 갖고 있으며, 이를 활용해 자체 양자 컴퓨팅 생태계를 구축하고 현지 인재를 육성해야 합니다.
그는 대만에서 제작하는 작동 가능한 시제품도 촉구했다. 국내 양자 컴퓨터를 만드는 일은 상징적 의미에 그치지 않는다. 직접 개발하는 과정은 생태계 전반의 공급업체 학습과 도구 개발의 기반이 된다. 천 연구원은 이렇게 설명했다.
자체 양자 컴퓨터를 개발하면 관련 하드웨어와 제어 소프트웨어의 발전을 촉진할 수 있습니다.
ITRI 산업·과학기술 국제전략센터의 제프 린 센터장은 정책과 산업을 위한 실행 방안을 제시했다. 그는 인공지능과 연계된 핵심 양자 기술에 집중하고, 미국·유럽·일본과 공급망 협력에 참여하며, 산학 협력을 강화하고, 상용화를 앞당길 연구·검증 플랫폼을 구축하라고 대만에 촉구했다. 또한 위험과 데이터 주권, 윤리를 다루는 규정과 여러 분야의 인재를 지원하는 법률 및 교육 개혁도 요구했다. 그는 사안의 중요성을 다음과 같이 설명했다.
양자 기술은 인공지능에 이어 새로운 전략적 개척 분야가 됐습니다. 이미 약 30개국이 양자 기술을 국가 발전 계획에 포함했습니다.
린 센터장의 구상은 생태계 중심의 접근도 제안한다. 스타트업과 대학이 아이디어를 검증할 국가 테스트베드, 단계별 목표에 연계된 자금 지원 체계, 연구 모듈을 산업용 하위 시스템으로 전환하는 프로그램이 그것이다. 이를 통해 학습 주기를 단축하고 실험실 성과와 시범 배치 간의 시간을 줄이며, 기존 반도체 분야 엔지니어가 양자 프로젝트로 옮겨갈 경로를 더 명확히 하는 것이 목표다.
글로벌 경쟁에서 대만의 위치
양자 기술은 이제 반도체와 컴퓨팅, 전략 산업을 둘러싼 더 큰 경쟁의 한 축이 됐다. 미국과 동맹국들은 공공 프로그램과 민간 협력을 통해 대규모 투자를 진행하는 동시에 중국으로 향하는 첨단 장비에 대한 수출 규제를 강화하고 있다. 공적 자금의 지원을 받는 TSMC의 애리조나 확장은 첨단 반도체의 안정적인 생산 역량을 구축하려는 움직임을 보여준다. 이런 변화는 민감한 연구가 이뤄지는 곳과 미래 공급망의 소재지를 바꾸고 있다.
중국은 외국 기술 의존도를 줄이기 위해 막대한 투자를 하고 있다. 정책은행과 국영 기금, 지방정부 프로그램이 국내 반도체 및 양자 프로젝트를 지원하고, 인재 영입과 전략 소재에 대한 새로운 규제도 병행하고 있다. 이런 움직임으로 대만이 직면한 과제의 중요성은 더욱 커졌다. 대만의 반도체 산업은 글로벌 가치사슬의 중심에 있지만, 해외에서 역량을 복제하라는 압박과 정책 리스크 관리 과제에도 직면해 있다.
기회와 노출 위험이 공존하는 만큼 대만은 행동에 나서야 한다. 신뢰할 수 있는 파트너십을 활용해 국제 양자 컨소시엄에 참여하면서도 고부가가치 업무는 국내에 유지할 수 있다. 또한 이미 충분한 규모와 노하우, 탄탄한 공급업체 기반을 갖춘 분야인 기존 반도체와 양자 실험을 잇는 가교 역할을 할 수도 있다.
대만에 적합한 하드웨어 경로
아직 어느 한 큐비트 설계도 승기를 잡지 못했다. 유력한 접근법마다 잡음 내성, 작동 온도, 게이트 속도, 제조 용이성 측면에서 장단점이 있다. 대만이 모든 경로를 아우를 필요는 없다. 기존 반도체 강점과 공급업체 집적지에 맞는 틈새 분야를 선택한 뒤, 관련 기술을 글로벌 프로그램에 통합하는 편이 더 나은 전략이다.
초전도 회로
초전도 큐비트는 매우 낮은 온도에서 전기 저항 없이 전류를 전달하는 박막 위에 패터닝한 조지프슨 접합을 사용한다. 제조에는 고품질 초전도 박막과 정밀한 패터닝, 세심한 표면 처리가 필요하다. 가장 큰 병목은 극저온 패키징과 마이크로파 제어다. 대만의 첨단 패키징 업체는 극저온 단계까지 마이크로파 신호를 전달하는 저손실 인터포저와 3차원 배선을 개발할 수 있다. 현지 전자장치 팀은 잡음을 제한하는 소형 제어 모듈과 필터를 설계할 수 있다. 테스트 연구소는 교정 절차를 전문화해 희석 냉동기 안에서 새 칩을 가동하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있다.
실리콘 스핀 큐비트
실리콘 스핀 큐비트는 잘 알려진 반도체 적층 구조에 형성된 양자점으로 만든다. 장점은 분명하다. 원칙적으로는 이미 최첨단 파운드리에 갖춰진 리소그래피와 공정 제어 기술을 활용할 수 있다. 글로벌 프로그램은 실리콘 스핀 장치를 기존 장비로 생산한 뒤 극저온 제어 회로와 결합할 수 있음을 보여준다. 큐비트가 밀리켈빈이 아닌 약 4켈빈에서 작동할 수 있다면 저온 CMOS와의 통합이 쉬워지고 배선도 간소화된다. 대만의 파운드리와 설계 업체는 이 경로를 탐색하기에 유리한 위치에 있다. 특히 국가 프로젝트가 공동 공정 개발 키트와 셔틀 생산, 극저온 전자설계자동화 도구에 자금을 지원한다면 더욱 그렇다.
광자 및 이온 시스템
이온 트랩과 광자 큐비트는 기존 실리콘 공정보다 정밀 광학과 레이저, 진공 시스템에 더 많이 의존한다. 이 분야에서도 대만은 기여할 수 있다. 집적 광자공학과 광학 패키징, 특수 소재는 기존 공급업체가 역량을 전환해 활용할 수 있는 분야다. 대학은 안정적인 레이저 광원과 광 스위칭, 보안 통신용 양자 중계기 개발을 이끌 수 있다.
모든 방식에서 두 가지 공통 주제가 반복된다. 첫째, 극저온 인프라와 측정 전문 인력이 필수적이다. 둘째, 양자 프로세서와 기존 연산 가속기를 결합하는 하이브리드 설계가 초기 응용 분야를 주도할 것이다. 대만이 고성능 컴퓨팅 공급망에 가까이 있다는 점은 이런 하이브리드 모델의 구조적 강점이다.
인재와 교육
양자 컴퓨팅은 물리학과 컴퓨터과학, 전기공학, 재료과학, 응용수학을 결합하는 분야다. 천 연구원은 전문성을 키우는 데 시간이 걸린다고 강조하며 물리학과 정보과학, 전기공학, 전자 분야의 학생과 중견 엔지니어가 이 분야에 진입해야 한다고 촉구했다. 선형대수와 양자역학에서 제어 이론과 극저온 공학으로 이어지는 교육 과정을 마련하면 새로 진입하는 인력이 필요한 역량을 갖추도록 도울 수 있다.
대만은 관련 체계를 갖추기 시작했다. 대만 양자 프로그램 사무국(2021)과 국가 양자팀(2022)이 5년간 총 약 2억5,900만 달러 규모의 다년 예산으로 출범했다. 이들 조직은 양자 컴퓨터 하드웨어와 광학, 소프트웨어, 응용 분야를 다룬다. 국내 프로젝트에서는 자체 개발 양자 컴퓨터와 양자 키 분배 시연 등 시제품 성과가 보고됐다. 대만은 양자내성 암호 분야에서도 활발히 활동하고 있으며, 양자 컴퓨터의 미래 공격에 대비해 기관의 업그레이드 계획을 지원하는 양자 보안 전환 센터를 운영하고 있다.
협력과 거버넌스
정부 관계자와 연구자들은 대만이 연구와 공급망 모두에서 미국·유럽·일본과의 협력을 강화해야 한다고 주장한다. 글로벌 프로그램에 참여하면 공동 테스트베드와 시범 생산, 표준에 접근할 수 있다. 인도 역시 유망한 협력 대상이다. 인도에는 국가 양자 미션이 있으며 양자 통신과 센싱 분야의 강점도 있기 때문이다. 공동 프로젝트를 통해 대만의 장치 및 반도체 전문성과 파트너의 알고리즘, 계측, 네트워크 시스템 역량을 결합할 수 있다.
거버넌스에도 관심을 기울여야 한다. 제프 린은 위험 평가와 데이터 주권, 윤리를 포괄하는 종합적인 틀을 마련하라고 촉구했다. 양자내성 암호로의 전환은 핵심 인프라 전반에 걸쳐 일정에 맞춰 추진하고 검증해야 하며, 조달과 규정 준수 목표도 설정해야 한다. 수출통제 규정과 지식재산권 보호, 보안 절차는 누가 어떤 프로젝트에 참여하고 어떤 장비를 공유할 수 있는지를 좌우한다. 명확한 정책은 스타트업과 연구자의 불확실성을 줄이고 국제 파트너와의 신뢰를 쌓는다.
대만이 해결해야 할 과제
전문 장비가 부족하다. 희석 냉동기와 저온 프로브 스테이션, 고주파 측정 장비는 가격이 비싸고 공급도 제한적이다. 공동 시설은 병목을 완화할 수 있지만 지속적인 자금과 숙련된 운영 인력이 필요하다. 파운드리 이용 시간도 제약 요인이다. 생산 라인이 수요가 높은 인공지능 및 서버용 칩으로 가득 차 있기 때문이다. 전용 공정 모듈과 셔틀 일정이 없으면 양자 장치는 상업 주문 뒤에서 차례를 기다리게 된다.
업계 사례는 반도체 장비와 양자 연구를 긴밀히 연계해야 하는 이유를 보여준다. 해외의 대형 프로그램들은 표준 공정으로 실리콘 스핀 큐비트를 실험하는 동시에 극저온 제어 칩과 테스트 인프라를 구축하고 있다. 여기서 얻을 교훈은 대만이 어느 한 접근법을 그대로 따라야 한다는 것이 아니다. 양자 연구팀은 지금 첨단 리소그래피와 계측, 패키징 기술을 이용할 수 있어야 한다는 점이다. 대만은 도구와 인력, 시간을 투입하기로 한다면 이 경로들을 추진할 노하우를 갖추고 있다.
단기 계획과 이정표
대만 국가과학기술위원회(NSTC)는 2026년 양자 컴퓨팅 메인프레임 구축 프로젝트를 추진할 계획이다. 목표는 양자 메인프레임을 고성능 컴퓨팅 플랫폼과 연결해 연구자와 업계가 이용할 수 있는 하이브리드 자원을 만드는 것이다. 이는 실용적인 작업에 양자 프로세서와 슈퍼컴퓨터, 인공지능 가속기를 결합하는 글로벌 흐름과 맞닿아 있다.
몇 가지 구체적인 조치로 진전을 앞당길 수 있다. 여러 대의 냉동기를 갖추고 서비스 방식으로 운영하는 국가 극저온 센터를 설립하면 실험 대기 시간을 줄일 수 있다. 극저온 CMOS 제어 칩 프로그램은 설계 업체를 이 분야에 참여시키고 재사용 가능한 기본 설계 블록을 만들 수 있다. 초전도 큐비트와 스핀 큐비트를 위한 시범 패키징 라인은 팀들이 저손실 상호 연결과 3차원 배선을 반복적으로 개선할 수 있게 한다. 양자 장치에 맞춘 공정 개발 키트와 정기적인 셔틀 생산은 장치 통계를 쌓고 수율을 높인다. 공공 테스트·검증 플랫폼은 스타트업이 부품을 검증할 공간을 제공하고, 명확한 기술 이정표에 연계된 혁신 기금은 실험실 성과와 초기 제품 사이의 간극을 메우는 데 도움이 된다.
우선 추진할 활용 분야
여러 응용 분야가 대만의 강점과 맞아떨어진다. 반도체 분야에서는 양자 영감 알고리즘과 향후 소형 양자 가속기가 소재 발굴과 공정 시뮬레이션, 설계 최적화에 기여할 수 있다. 사이버 보안 분야에서는 정부와 금융권이 양자내성 암호로의 전환 일정을 마련하고 민감한 데이터 통신을 위한 양자 통신 링크를 시험할 수 있다. 하드웨어가 성숙하면 의료 분야의 양자 기법이 단백질 모델링이나 영상 재구성에 도움을 줄 수 있다. 에너지와 제조 분야에서는 양자·고전 하이브리드 작업 흐름으로 복잡한 공급망의 일정과 물류를 개선할 수 있다. 대규모 내결함성 장치가 나오기 전에도 이 모든 경로는 조기 시험의 이점을 얻는다.
핵심 요점
- 중앙연구원의 천치둥은 하드웨어와 제어 소프트웨어, 테스트 분야의 진전을 이끌 자체 양자 컴퓨터를 대만이 구축해야 한다고 촉구한다.
- ITRI의 제프 린은 인공지능 연계 핵심 기술과 글로벌 파트너십, 위험 및 데이터 거버넌스, 연구·검증 플랫폼에 초점을 맞춘 국가 계획을 제안한다.
- 대만의 제조·패키징·테스트 역량은 초전도 및 실리콘 스핀, 광자 양자 프로젝트를 뒷받침할 수 있다.
- 지정학적 변화가 공급망을 재편하고 있다. 미국과 동맹국은 투자와 통제를 강화하는 한편, 중국은 자립을 추진하고 있다.
- 대만은 다년 예산을 바탕으로 대만 양자 프로그램 사무국(2021)과 국가 양자팀(2022) 등 국가 프로그램을 구성했다.
- 주요 부족 분야는 극저온 인프라와 전문 장비, 파운드리 이용 기회다. 공동 시설과 전용 셔틀 생산으로 이를 보완할 수 있다.
- NSTC는 연구와 산업이 활용할 하이브리드 자원을 구축하기 위해 2026년 양자·고성능 컴퓨팅 통합 프로젝트를 추진할 계획이다.
- 우선 활용 분야에는 소재 및 반도체 연구개발, 양자내성 암호, 양자 통신, 공급망 최적화가 포함된다.
