추석 명절 교통편 '고속도로'와 'KTX'

올해 추석 연휴가 길어 가족과 오랜만에 많은 시간을 같이 보낼 수 있어서 아주 좋았다. 서울, 울진, 봉화, 대전을 다니면서 전국을 한 바퀴 돌았다. 날씨가 좋아 바닷가 구경도 하고, 금빛으로 변해가는 들판도 즐겼다. 보통은 명절이 되면 교통이 가장 큰 관심사였다. 그런데 전국이 촘촘히 고속도로로 연결되어 있어 가을 경치를 만끽하면서 편하게 다닐 수 있었다.

김정호 카이스트 교수

이렇게 명절 때 귀향과 귀성 때 주로 이용하는 대표적인 교통 인프라가 고속도로와 KTX라고 볼 수 있다.

4차 산업혁명 시대 속의 빅데이터의 원활한 흐름을 위한 데이터 연결선도 교통 인프라와 비유해서 이해할 수 있다. 고속도로와 KTX 의 특징을 교통량(Bandwidth), 도착 시간의 차이(Latency), 에너지소비량(Power Consumption), 공기오염(Noise coupling) 등으로 구별할 수 있다. 이러한 특징은 데이터 연결선에서도 마찬가지이다.

고속도로는 개별 자동차의 운행 자유도를 갖는다. 각 자동차가 차선이나 운행노선, 도착시간 결정의 자유를 갖는다. 그렇지만 교통량을 높이기 위해서는 차선 수를 높여야 한다. 그래야 동시에 많은 차량이 동시에 같이 이동할 수 있다. 일종의 병렬형(Parallel) 교통수단이라고 볼 수 있다. 따라서 늘어나는 교통량을 감당하기 위해서 차선을 계속 넓히거나 새로운 고속 도로를 계속 지어야 한다.

그래서 남북 방향의 고속도로로 경부고속 도로 뿐만 아니라, 중부고속도로, 중앙고속도로, 중부내륙 고속도로를 계속 건설해 왔다. 그런데 각 자동차마다 운전 습관, 자동차 성능, 휴게소 정차 여부에 따라 자동차의 각각 도착 시간이 많이 벌려 진다. 동시에 자동차들이 같이 도착하기 어렵다. 동시 도착이라는 개념이 없다. 건설 비용이 적지만 시간 관념이 적다고 볼 수 있다.

반면에 KTX는 상행선과 하행선이 분리된 각각 단일 노선을 사용한다. 그래서 일종의 직렬형(Serial) 운송 수단이다. 이 수단의 장점은 승객 수천 명이 동시에 도착한다는 점이다. 그래서 승객 도착의 간격이 작다. 시간을 잘 맞춘다. 그래서 승객 사이에 시간 지연이 최소화 된다. 승객 수송량을 높이기 위해서는 KTX 한 대에 싣는 승객 수가 많아야 하고, 객차 수가 증가해야 한다.

KTX가 국민 교통수단으로 자리잡고 있다. [자료=KTX]

그리고 KTX의 운행 속도가 더 높아져야 한다. 미래에는 1000 ㎞/h 속도로 다녀야 한다. 그러먄 비행기보다 빠를 수도 있겠다. 공기의 마찰을 줄이기 위해 KTX 를 위한 진공 터널도 생각해 볼 수 있다. 그래서 고속 KTX의 기술적 난이도가 아주 높다. 

4차 산업혁명 시대의 빅데이터 연결선 기술

고속도로와 KTX로 대표되는 교통 인프라의 개념과 4차 산업혁명 시대의 데이터 연결선의 관계가 매우 밀접하다고 본다.

빅데이터는 생산지인 IoT(센서 단말기), 센터나 반도체 메모리, 그리고 인공지능 처리를 위한 서버나, 컴퓨터, 스마트폰이 각각 공간적으로 분리되어 있기 때문이다. 한편으로 가정 내에서는 셋탑 박스와 TV 사이에 영상과 음성 디지털 신호를 보내야 한다. 인공지능 서버에서는 GPU와 디램 사이에 데이터를 빠른 속도로 주고 받아야 한다. 빅데이터의 생산자, 저장자, 그리고 소비자가 각각 다르기 때문이다.

이러한 디지털 데이터의 전송에도 고속도로와 KTX처럼 직렬형 데이터 전송 기술과 병렬형 데이터 전송 기술이 사용된다. 과거에는 주로 병렬형 데이터 통신 기술이 사용되었다. 값싸고 구현하기 쉽기 때문이다. 컴퓨터 PC 내부에는 과거에 하드디스크로 불리는 저장장치와 컴퓨터 계산 장치를 연결선으로 대표적 병렬 연결선인 리본 케이블(Ribbon Cable) 사용되었다.

그러나 리본 케이블은 컴퓨터 내에 공간을 많이 차지하고 공기 흐름을 방해하여 컴퓨터 냉각이 어려웠다. 더욱이 각각 수십 개의 병렬 연결선으로 도착하는 데이터의 도착 시간(Latency) 가 제각각 달랐다. 각 선의 조건이 다르기 때문이다. 그래서 빠른 속도로 동시에 계속 데이터를 보내기 어려웠다. 그리고 데이터 전송량을 높이기 위해서 계속 연결선 수를 늘리기 어려웠다. 공간을 차지하기 때문이다.

컴퓨터 내의 병열 데이터 전송을 위한 리본 케이블 케이블과 커넥터. [출처:가치창조 기술]

이러한 병렬 데이터 연결선의 문제를 극복하기 위해서 등장한 기술이 직렬 데이터 전송 기술이다. 선 한 개를 이용해서 초고속으로 디지털 데이터를 블록으로 보내는 기술이다. 대표적으로 컴퓨터와 주변 기기를 연결하는 USB(Universal Serial Bus) 연결선 기술이다. 송신(Tx), 수신(Rx) 두 개의 선으로 이루어져 있다. 앞으로 USB 의 속도는 10Gbps (1초에 100억개 비트)로 이상으로 지금보다 10 배 이상 빨라질 전망이다. 선이 간단해 연결선이 공간을 차지 하지 않는다.

또 다른 직렬 데이터 연결선 방식이 HDMI (High Definition Multimedia Interface) 기술이다. 요즈음 가정에서 디지털 TV 와 DVD 플레이어의 연결은 HDMI 연결선을 사용한다. 또한 컴퓨터와 빔 프로젝트의 연결도 HDMI 를 사용한다. HDMI 디지털 연결선을 이용해서 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B)으로 표현되는 빛의 삼원색과 음향 디지털 신호를 보낸다.

앞으로 TV 화면의 초고해상도로 화면 해상도가 계속 증가하면서 HDMI 직렬 데이터 전송속도고 10Gbps (1초에 100억개 비트)로 높아질 전망이다. 이러한 디지털 데이터 전송 속도를 더욱 높이기 위해서 2층, 4층 객실 KTX 처럼 데이터 전송도 4층 (PAM4) 레벨을 사용하려는 시도가 생기고 있다. 기술 난이도가 높다.

가전 기기와 컴퓨터의 영상과 음성 데이터 전송을 위한 HDMI 케이블과 켄넥터. [출처: 아마존]

HDMI 직렬 데이터 통신 케이블의 데이터 전송의 품질을 보여 주는 아이 다이어그램(Eye Diagram) 측정 결과. [출처: KAIST]

직렬 vs. 병렬 기술의 장단점 고려해야

이처럼 직렬 데이터 통신 기술과 병렬 데이터 통신 기술은 각각 장단점을 갖고 있다. 여기에 전력 소모, 비용, 편리성, 기술 발전 단계도 고려해야 한다. 각 데이터 센터, 센서, 컴퓨터 등 각 체계 상황에 따라 직렬과 병렬 방식이 채택될 전망이다. 경우에 따라 두 가지 기술이 동시에도 사용될 수 있다.

이 모든 이유는 4차 산업혁명을 맞아 끊임 없이 빅데이터가 생산되고, 이를 끊임 없이 독점적으로 사용하려는 시도가 지속될 예정이기 때문이다. 누군가 클라우드와 빅데이터를 이용해서 정치, 사회, 경제를 지배하고자 하는 의도를 갖고 있는 한 필연적인 현상이다. 특히 인공지능은 데이터를 통해서 학습한다.

4차 산업혁명은 데이터를 먹고 산다. 우리는 지구상의 둥근 공간에 흩어져서 살고 있다. 마찬가지로 지구상의 데이터도 공간적으로 지구상에 둥글게 흩어져 있다.

joungho@kaist.ac.kr   

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]