플라스마룸으로 구현하는 이진 가산기

초록

플라스미움 폴리세라움의 포식 행동을 논리 게이트로 해석하고, 이를 단순화한 설계로 두 입력‑두 출력 게이트 <x,y>→<xy,x+y>와 세 입력‑두 출력 게이트 <x,y,z>→<¬x y z, x+y+z>를 컴퓨터 시뮬레이션에서 구현한다. 이 두 게이트를 조합해 1비트 이진 가산기를 구성하고, 시뮬레이션 결과 설계가 정상적으로 동작함을 확인한다.

상세 분석

본 논문은 단세포 진핵생물인 Physarum polycephalum 의 플라스미움이 영양원 탐색 과정에서 형성하는 세포질 튜브 네트워크를 물리적 연산 매체로 활용한다는 기존 연구를 확장한다. Tsuda et al.(2004)의 논리 게이트 구현 실험을 기반으로, 저자는 기존 복잡한 미로형 구조를 간소화하여 두 종류의 기본 게이트를 설계한다. 첫 번째는 두 입력 x, y에 대해 AND와 OR을 동시에 출력하는 <x,y>→<xy, x+y> 게이트이며, 두 번째는 세 입력 x, y, z에 대해 ¬x·y·z와 x+y+z를 출력하는 <x,y,z>→<¬x y z, x+y+z> 게이트이다.

설계 핵심은 영양소(입력) 위치와 플라스미움이 선호하는 최소 저항 경로 사이의 상호작용을 이용하는 것이다. 입력이 ‘1’이면 해당 위치에 영양소를 배치하고, ‘0’이면 배치하지 않는다. 플라스미움은 영양소가 있는 지점을 향해 성장하면서 서로 교차하거나 합류하는 경로를 형성한다. 저자는 이 과정에서 발생하는 두 가지 물리적 현상을 논리 연산으로 매핑한다. 첫째, 두 개의 성장 전선이 충돌하여 하나의 튜브로 합쳐지는 경우는 논리곱(AND)으로 해석한다. 둘째, 어느 한쪽 전선만 도달해도 목표 지점에 도달하는 경우는 논리합(OR)으로 해석한다.

컴퓨터 모델링은 기존에 널리 사용되는 ‘Physarum Solver’(Tero et al., 2006)를 변형하여 구현하였다. 시뮬레이션 격자는 2차원 격자망이며, 각 셀은 플라스미움 농도와 영양소 농도를 상태 변수로 갖는다. 플라스미움은 농도 구배에 따라 확산·수축을 반복하면서 최소 저항 경로를 탐색한다. 입력 패턴에 따라 초기 영양소 배치를 달리하고, 시뮬레이션이 수렴할 때까지 진행한 뒤, 목표 출력 지점에 플라스미움이 도달했는지 여부를 논리값으로 판정한다.

두 게이트 모두 시뮬레이션 결과 기대한 출력 조합을 정확히 재현했으며, 특히 세 입력 게이트에서 ¬x·y·z 출력이 ‘1’이 되려면 x가 ‘0’이고 y와 z가 모두 ‘1’이어야 함을 확인하였다. 이러한 기본 게이트를 조합해 1‑비트 전가산기(half‑adder)와 전가산기(full‑adder)를 구성했으며, 2‑비트 이진 덧셈까지 확장 가능한 구조임을 보였다.

한계점으로는 플라스미움 성장 속도가 실험적 시간 척도와 크게 차이 나는 점, 환경 변수(습도, 온도)의 민감도, 그리고 시뮬레이션 파라미터 튜닝에 따른 결과 변동성이 있다. 또한, 실제 실험으로 옮길 경우 영양소 배치와 플라스미움 초기 상태를 정밀하게 제어해야 하는 기술적 난제가 존재한다. 그럼에도 불구하고, 물리적·생물학적 시스템을 이용한 비전통적 컴퓨팅 플랫폼으로서의 가능성을 충분히 시사한다.