Intel이 완전 동형 암호(FHE) 연산을 대규모로 가속하기 위한 프로토타입 칩 Heracles를 공개했다. 이 칩은 서버용 Xeon CPU 대비 최대 5,000배 빠른 속도를 시연하며, 고대역폭 메모리와 3나노 FinFET 기반의 병렬 아키텍처로 암호화된 상태에서의 연산을 현실적인 수준으로 끌어올린다.
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암호화된 데이터로 계산하는 칩을 시연한 Intel
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21 hours ago
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Samuel K. Moore는 IEEE Spectrum의 반도체 편집자입니다.
Intel의 프로토타입 FHE 칩은 비밀을 지킬 수 있다.
Intel
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클라우드 기반 AI에 던진 최신 요청이 당신에 대해 너무 많은 정보를 드러내는 건 아닐까 걱정되나요? 어떤 서비스가 답을 계산해 주는지에 당신의 유전적 질병 위험도를 드러내지 않고도 그 위험을 알고 싶나요?
데이터를 한 번도 복호화하지 않은 채로 암호화된 데이터에 대해 계산하는 방법이 있습니다. 완전 동형 암호, 즉 FHE입니다. 하지만 상당히 큰 함정이 있습니다. 오늘날의 CPU와 GPU에서 FHE로 계산하면, 단지 복호화된 데이터로 작업하는 것보다 수천 배—심지어 수만 배—더 오래 걸릴 수 있습니다.
그래서 대학, 스타트업, 그리고 최소한 한 곳의 프로세서 거대 기업이 그 격차를 줄일 수 있는 특수 칩을 연구해 왔습니다. 지난달 샌프란시스코에서 열린 IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)에서 Intel은 Heracles라는 해법을 시연했는데, 최상급 Intel 서버 CPU와 비교해 FHE 컴퓨팅 작업을 최대 5,000배까지 가속했습니다.
스타트업들은 Intel과 서로를 상대로 상용화 경쟁을 벌이고 있습니다. 하지만 Intel에서 보안 회로 연구를 이끄는 Sanu Mathew는, 이 칩이 지금까지 만들어진 어떤 FHE 가속기보다 더 많은 연산을 수행할 수 있기 때문에 CPU 거대 기업이 큰 선두를 달리고 있다고 믿습니다. 그는 “Heracles는 규모 있게 동작하는 최초의 하드웨어”라고 말합니다.
그 ‘규모’는 물리적 크기와 연산 성능 양쪽에서 모두 측정 가능합니다. 다른 FHE 연구 칩들이 대체로 10제곱밀리미터 이하 범위였던 반면, Heracles는 그 약 20배 크기이며 Intel의 가장 첨단인 3나노미터 FinFET 기술로 제작되었습니다. 또한 액체 냉각 패키지 안에서 24GB 고대역폭 메모리 칩 두 개가 양옆에 배치되어 있는데—이 구성은 보통 AI 학습용 GPU에서나 볼 수 있습니다.
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연산 성능의 스케일링 측면에서 Heracles는 ISSCC의 라이브 시연에서 힘을 보여줬습니다. 시연의 핵심은 보안 서버에 대한 간단한 비공개 질의였습니다. 이는 유권자가 자신의 투표용지가 제대로 등록되었는지 확인하려는 요청을 시뮬레이션한 것입니다. 이 경우 ‘주(州)’는 유권자와 그들의 투표를 담은 암호화된 데이터베이스를 갖고 있습니다. 개인정보 보호를 위해 유권자는 어떤 시점에서도 자신의 투표 정보가 복호화되길 원치 않으므로, FHE를 이용해 자신의 ID와 투표를 암호화해 정부 데이터베이스로 보냅니다. 그곳에서 시스템은 복호화 없이 일치 여부를 판단하고, 암호화된 답을 되돌려주며, 유권자는 자신의 쪽에서 이를 복호화합니다.
Intel Xeon 서버 CPU에서는 이 과정이 15밀리초가 걸렸습니다. Heracles는 14마이크로초에 해냈습니다. 그 차이는 한 사람이 체감하기는 어렵지만, 1억 장의 투표용지를 검증한다고 하면 CPU로는 17일이 넘는 작업량이 Heracles에서는 겨우 23분으로 줄어듭니다.
Heracles 칩을 탄생시키기까지 5년의 여정을 되돌아보며, 지난 12월까지 Intel에서 프로젝트를 이끌다가 현재는 University of California Irvine에 있는 Ro Cammarota는 “우리가 약속한 모든 것을 증명하고 구현해 전달했다”고 말합니다.
FHE는 근본적으로 일종의 수학적 변환으로, Fourier transform과 비슷합니다. 이는 양자컴퓨터 내성(quantum-computer-proof) 알고리즘으로 데이터를 암호화하지만, 중요한 점은 보통 비암호화 데이터에 적용하는 수학 연산에 대응하는 ‘따름정리( corollaries )’를 사용한다는 것입니다. 이러한 따름정리 연산은 암호화된 데이터에 대해 동일한 결과를 달성합니다.
이런 안전한 컴퓨팅을 가로막는 주요 요인 중 하나는, FHE를 위해 데이터를 암호화하면 데이터 크기가 폭발적으로 늘어난다는 점이라고 Intel 회로 연구소의 연구 과학자 Anupam Golder가 ISSCC에서 엔지니어들에게 말했습니다. 그는 “보통 암호문 크기는 평문 크기와 같지만, FHE에서는 자릿수(orders of magnitude) 수준으로 더 커진다”고 했습니다.
순수한 데이터량 자체도 큰 문제지만, 그 데이터로 수행해야 하는 계산의 성격도 문제입니다. FHE는 정밀하게 계산해야 하는 매우 큰 수와 관련이 있습니다. CPU도 그런 계산을 할 수는 있지만 매우 느립니다—FHE에서 정수 덧셈과 곱셈은 약 10,000배 더 많은 클록 사이클이 듭니다. 게다가 CPU는 그런 계산을 병렬로 수행하도록 만들어지지 않았습니다. GPU는 병렬 연산에 강하지만 정밀도는 강점이 아닙니다. (사실 GPU 설계자들은 세대가 바뀔수록 칩 자원을 점점 더 정밀도가 낮은 숫자 계산에 투입해 왔습니다.)
FHE는 또한 “twiddling”이나 “automorphism” 같은 다소 특이한 연산을 요구하고, bootstrapping이라 불리는 계산 집약적 noise-cancelling 과정에 의존합니다. 이런 것들은 어느 것도 범용 프로세서에서 효율적이지 않습니다. 그래서 수년간 영리한 알고리즘과 소프트웨어 ‘꼼수’ 라이브러리가 개발되어 왔지만, FHE가 대규모 문제를 다루려면 여전히 하드웨어 가속기가 필요하다고 Cammarota는 말합니다.
Heracles는 5년 전, 목적 특화 하드웨어로 FHE를 가속하기 위한 DARPA 프로그램 하에서 시작되었습니다. Cammarota에 따르면, 이는 “이론과 알고리즘에서부터 회로 설계에 이르기까지 전 과정을 아우르는, 시스템 수준 전체 노력”으로 개발되었습니다.
첫 번째 과제 중 하나는 오늘날 CPU에서 가장 정밀한 64비트 워드보다도 더 큰 수를 어떻게 계산할 것인가였습니다. 이런 거대한 수를 비트 덩어리로 쪼개 독립적으로 계산하는 방법이 있고, 이를 통해 어느 정도 병렬성을 확보할 수 있습니다. 초기에 Intel 팀은 이를 더 작은 32비트 덩어리로도 구현할 수 있으면서도 필요한 정밀도를 유지할 수 있을 것이라는 큰 베팅을 했습니다. Cammarota는 이 결정이 Heracles 아키텍처에 속도와 병렬성을 부여했다고 설명합니다. 32비트 산술 회로는 64비트 회로보다 상당히 작기 때문입니다.
Heracles의 핵심에는 ‘타일-페어(tile-pairs)’라 불리는 64개의 연산 코어가 8x8 그리드로 배열되어 있습니다. 이는 단일 명령 다중 데이터(SIMD) 연산 엔진으로, 다항식 수학, twiddling, 그리고 FHE 계산을 구성하는 다른 작업들을 병렬로 수행하도록 설계되었습니다. 온칩 2차원 mesh network가 넓은 512바이트 버스로 타일들을 서로 연결합니다.
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암호화 연산을 효율적으로 만들기 위해 중요한 것은, 그 거대한 수들을 연산 코어에 빠르게 공급하는 것입니다. 관련 데이터의 양이 너무 많기 때문에, 프로세서에 값비싼 고대역폭 메모리 48GB를 초당 819GB 연결로 붙여야 했습니다. 칩에 올라오면 데이터는 64MB의 캐시 메모리에 모입니다—이는 Nvidia Hopper 세대 GPU보다도 다소 큰 수준입니다. 그다음에는 타일-페어에서 타일-페어로 ‘점프’하면서 초당 9.6TB로 배열을 통해 흐를 수 있습니다.
연산과 데이터 이동이 서로 방해하지 않도록, Heracles는 동시에 세 개의 동기화된 명령 스트림을 실행한다고 Golder는 설명했습니다. 하나는 프로세서로/프로세서에서 데이터 반입·반출을 위한 것이고, 하나는 내부에서 데이터 이동을 위한 것이며, 세 번째는 수학 연산을 위한 것입니다.
Intel에 따르면, 이 모든 것이 엄청난 속도 향상으로 이어집니다. 1.2GHz로 동작하는 Heracles는 FHE의 핵심 수학 변환을 수행하는 데 39마이크로초밖에 걸리지 않으며, 3.5GHz로 동작하는 Intel Xeon CPU 대비 2,355배 개선입니다. 7개의 핵심 연산 전반에서 Heracles는 1,074배에서 5,547배까지 더 빨랐습니다.
이처럼 범위가 다른 것은 연산에 포함되는 데이터 이동량의 차이 때문이라고 Mathew는 설명합니다. 그는 “데이터 이동과 숫자 연산의 균형을 맞추는 게 전부”라고 말합니다.
FHE 소프트웨어 기업 Duality Technology의 CTO인 Kurt Rohloff는 Heracles 결과에 대해 “매우 훌륭한 작업”이라고 말합니다. Duality는 Intel이 Heracles를 구상했던 것과 같은 DARPA 프로그램에서 경쟁 가속기 설계를 개발한 팀의 일원이기도 했습니다. Rohloff는 “Intel이 규모에 대해 말하기 시작하면, 보통 그 말에는 상당한 무게가 실린다”고 덧붙입니다.
Duality의 초점은 새로운 하드웨어보다는 Intel이 ISSCC에서 시연한 종류의 암호화 질의를 수행하는 소프트웨어 제품에 더 맞춰져 있습니다. Rohloff는 오늘날 사용되는 규모에서는 “특수 하드웨어의 필요성이 상대적으로 적다”고 말합니다. “하드웨어가 필요해지는 지점은 neural net, LLM, 또는 시맨틱 검색 같은 더 깊은 머신러닝 지향 연산을 둘러싼 신규 응용 분야”라는 것입니다.
지난해 Duality는 BERT라는 FHE-암호화 언어 모델을 시연했습니다. ChatGPT 같은 더 유명한 LLM과 마찬가지로 BERT는 트랜스포머 모델입니다. 다만 가장 컴팩트한 LLM에 비해서도 크기가 10분의 1에 불과합니다.
오하이오주 데이턴의 FHE 칩 스타트업 Niobium Microsystems의 제품 담당 부사장 John Barrus는, 암호화된 AI가 FHE 칩의 핵심 목표라는 데 동의합니다. 그는 “FHE의 데이터 팽창이 있더라도, 가속 하드웨어에서는 충분히 잘 돌아갈 수 있는 더 작은 모델이 많다”고 말합니다.
Intel이 상용 계획을 밝히지 않은 가운데, Niobium은 자사의 칩이 “현실 세계의 클라우드 및 AI 인프라에서 실용적인 속도로 암호화된 연산을 가능하게 하도록 설계된, 세계 최초의 상업적으로 실현 가능한 FHE 가속기”가 될 것으로 기대하고 있습니다. 상용 칩 출시 시점은 발표하지 않았지만, 지난달 이 스타트업은 서울의 칩 설계 회사 Semifive와 100억 원(미화 690만 달러) 규모 계약을 체결해, Samsung Foundry의 8나노 공정 기술로 제작할 FHE 가속기를 개발하기로 했다고 공개했습니다.
Fabric Cryptography, Cornami, Optalysys를 포함한 다른 스타트업들도 FHE 가속 칩을 개발해 왔습니다. Optalysys CEO Nick New는 Heracles가 올-디지털 시스템으로 기대할 수 있는 수준의 속도 향상에 도달했다고 말합니다. 그는 “우리는 그 디지털 한계를 훨씬 넘어서는 것을 목표로 한다”고 합니다. 그의 회사 접근법은 FHE의 계산 집약적 변환 단계를 수행하기 위해 포토닉 칩의 물리학을 이용하는 것입니다. 그는 그 photonics 칩이 7세대에 이르렀고, 다음 단계 가운데 하나는 이를 맞춤형 실리콘과 3D로 통합해 변환이 아닌 단계들을 수행하고 전체 과정을 조율하는 것이라고 말합니다. New에 따르면 완전한 3D 적층 상용 칩은 2~3년 내 준비될 수 있습니다.
경쟁사들이 칩을 개발하는 동안 Intel도 개발을 계속할 것이라고 Mathew는 말합니다. 소프트웨어를 미세 조정해 칩의 연산 가속 능력을 개선할 예정이며, 더 거대한 FHE 문제를 시도하고, 차세대 가능성을 위한 하드웨어 개선도 탐색할 것입니다. Mathew는 “이건 첫 번째 마이크로프로세서 같은 것… 하나의 긴 여정의 시작”이라고 말합니다.
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프랑스 기업 Theryq는 FLASH 방사선 치료를 개발하기 위해 입자물리 연구 시설 CERN과 협력하고 있습니다. Theryq의 FLASHKNiFE 시스템은 6 또는 9 megaelectron volts의 전자빔으로 표재성 종양을 표적합니다.
THERYQ
스위스-프랑스 국경의 거대한 홀 내부에서 공기는 고전압과 가능성으로 윙윙거립니다. 둘러진 관측 데크 위에서 물리학자 Walter Wuensch는 가속 공동, klystrons, modulators, pulse compressors로 이루어진 수백만 달러 규모의 배열—차세대 선형 입자 가속기를 구동할 준비를 하는 하드웨어—을 내려다봅니다.
Wuensch는 수십 년 동안 이 기계들을 다루며 우주의 가장 깊은 수수께끼를 풀기 위해 일해 왔습니다. 이제 그와 동료들은 새로운 표적을 겨냥하고 있습니다: 암. 여기 CERN(유럽 핵입자물리연구기구)과 다른 입자물리 연구소에서 과학자와 엔지니어들은 근본 물리학의 도구를 적용해 FLASH 방사선 치료라는 기법을 개발하고 있으며, 이는 질병 치료에 대한 급진적이고도 직관에 반하는 비전을 제시합니다.
CERN 연구원 Walter Wuensch는 입자물리 연구소의 FLASH 방사선 치료 작업이 “큰 흥분을 불러일으키고 있다”고 말한다.CERN
방사선 치료는 Wilhelm Conrad Röntgen이 1895년에 X선을 발견한 직후부터 암 치료의 핵심 축이었습니다. 오늘날 전체 암 환자의 절반 이상이 치료 과정의 일부로 방사선 치료를 받으며, 일반적으로 비교적 낮은 선량의 X선을 수십 회 세션에 걸쳐 전달합니다. 이 접근은 종양을 죽이는 경우가 많지만, 인접한 건강한 조직에도 큰 피해를 줍니다. 현대의 정밀 표적화 기술이 있어도, 부수적 손상의 위험은 의사가 안전하게 전달할 수 있는 방사선량을 제한합니다.
FLASH 방사선 치료는 이 전통적 접근을 뒤집어, 초고출력 방사선을 단 한 번의 선량으로 펄스 형태로 전달하며, 이 펄스는 보통 0.1초 미만으로 지속됩니다. 수많은 연구에서 이 기법은 종양에 대한 효과를 떨어뜨리지 않으면서도, 기존 방사선보다 정상 조직 손상이 유의미하게 적다는 결과를 보여주었습니다.
지난 7월 제가 방문했던 CERN에서는, 의료용으로 설계된 것이 아닌 가속기에서 이 접근을 시험하고 다듬고 있습니다. 여기와 전 세계에서 진행 중인 실험이 계속해서 결과를 뒷받침한다면, FLASH는 방사선 치료를 바꿀 수 있습니다—더 강력한 치료, 더 적은 부작용, 그리고 생명을 구하는 치료에 대한 더 넓은 접근성을 제공하면서 말입니다.
Wuensch는 CERN의 Linear Electron Accelerator for Research(CLEAR) 시설의 연구원으로서 “큰 흥분을 불러일으키고 있다”고 말합니다. “가속기 사람들 입장에서는, 와, 우리의 기술이 고에너지 물리학 대부분보다 더 즉각적인 사회적 영향을 갖는 응용처가 여기 있네, 라고 생각하게 됩니다.”
FLASH로 이어진 돌파구는 1990년대 파리 근교 오르세이의 Institut Curie에서 시작된 실험 계열에서 나왔습니다. 연구자 Vincent Favaudon은 저에너지 전자 가속기를 이용해 방사선 화학을 연구하고 있었습니다. 가속기를 생쥐 폐에 겨냥했을 때, Favaudon은 방사선이 반흔 조직, 즉 섬유화를 유발할 것으로 예상했습니다. 하지만 일반 방사선 치료에서 쓰이는 것보다 1,000배 높은 선량의 초고속 방사선 폭발에 폐를 노출시키자, 예상했던 섬유화가 전혀 나타나지 않았습니다.
당황한 Favaudon은 방사선 유발 섬유화를 전문으로 하는 Curie의 방사선 생물학자 Marie-Catherine Vozenin에게 의뢰했습니다. 현재 스위스의 Geneva University Hospitals에서 일하는 Vozenin은 “슬라이드를 봤을 때 정말 섬유화가 없었고, 이런 선량에서는 매우, 매우 놀라운 일이었다”고 회상합니다.
방사선 치료에서는 환자가 받는 에너지의 양을 나타내기 위해 다양한 단위를 사용합니다. 아래는 국제단위계(SI) 기준의 주요 단위입니다.
Gray (Gy): 흡수선량의 척도—즉 신체가 흡수한 방사선 에너지가 얼마나 되는지를 나타냅니다. 1 gray는 물질 1킬로그램당 방사선 에너지 1줄(J)에 해당합니다. FLASH는 0.1초보다 짧은 시간에 40 Gy 이상의 단일 선량을 전달합니다. 반면 기존 방사선 치료는 총 40~80 Gy의 선량을 전달할 수 있지만, 수 주에 걸쳐 나눠서 전달합니다.
Sievert (Sv): 유효선량의 척도—즉 방사선의 건강 영향이며, 서로 다른 종류의 이온화 방사선(감마선, X선, 알파입자 등)이 서로 다른 영향을 갖는 점을 반영합니다. 1 sievert는 생물학적 유효성과 노출 조직에 대해 가중된, 1킬로그램당 1줄에 해당합니다.
이 둘은 실험을 암성 종양으로 확대했습니다. 그 결과는 방사선 치료의 오랜 트레이드오프—숙주를 손상시키지 않고는 종양을 파괴할 수 없다는 생각—를 뒤집었습니다. Vozenin은 “이 차등 효과가 바로 방사선 종양학에서 우리가 원하는 것, 즉 정상 조직을 손상시키지 않고 종양을 죽이는 것”이라고 말합니다.
그들은 서로 다른 조직과 종양 유형에 걸쳐 프로토콜을 반복했습니다. 2014년까지 그들은 충분한 증거를 모아 Science Translational Medicine에 결과를 발표할 수 있었습니다. 이들의 실험은 0.1초 미만에 10 gray 이상의 초고선량을 전달하면, 생쥐에서 종양을 제거하면서도 주변 정상 조직은 사실상 손상시키지 않을 수 있음을 확인했습니다. 비교를 위해, 일반 흉부 X선은 약 0.1 milligray를 전달하고, 기존 방사선 치료의 한 세션은 하루 약 2 gray 정도를 전달할 수 있습니다. (저자들은 빠르고 높은 선량이 특징이어서 이 효과를 “FLASH”라 불렀지만, 약어는 아닙니다.)
2014년에 처음 발표되었을 때 많은 암 전문가들은 정상 조직에서의 FLASH 효과에 회의적이었지만, 이후 수많은 연구가 그 결과를 확인하고 확장했습니다. 2020년 논문에서, 기존 방사선 치료에 노출된 뒤 4개월이 지난 폐 조직 샘플[가운데]은 FLASH에 노출된 샘플[오른쪽]보다 흉터를 나타내는 더 많은 어두운 점을 보여줍니다. 비조사 샘플[왼쪽]은 대조군입니다.
Vincent Favaudon/American Association for Cancer Research
많은 암 전문가들은 회의적이었습니다. FLASH 효과는 거의 믿기 어려울 정도였습니다. 스탠퍼드의 폐암 전문 방사선 종양학자 Billy Loo는 “처음엔 큰 관심을 받지 못했다”고 회상합니다. “그들은 수십 년간 확립된 방사선 생물학의 통념과 반대되는 현상을 설명했죠.”
하지만 이후 연구자들은 광범위한 종양 유형과 동물에서 이 효과를 관찰했습니다—생쥐를 넘어 제브라피시, 초파리, 심지어 소수의 인간 대상까지, 그리고 뇌, 폐, 피부, 근육, 심장, 뼈에서도 동일한 보호 효과가 나타났습니다.
왜 이런 일이 일어나는지는 여전히 미스터리입니다. Vozenin은 “우리는 수많은 가설을 조사했고, 전부 틀렸다”고 말합니다. 현재 그녀의 팀 연구에서 떠오르는 가장 그럴듯한 이론은 대사에 관한 것입니다. 정상 세포와 암 세포는 방사선 동안 생성되는, 반응성이 큰 산소 포함 분자(활성산소종)를 매우 다르게 처리할 수 있다는 것입니다.
첫 FLASH 논문이 발표될 당시, Loo와 스탠퍼드의 그의 팀도 방사선 전달을 극적으로 빠르게 만드는 데 집중하고 있었습니다. 그러나 Loo가 추구한 것은 방사선 생물학적 돌파구가 아니었습니다. 그는 다른 문제를 해결하려 했습니다: 움직임입니다.
그는 “우리가 치료하는 종양은 항상 움직이는 표적”이라고 말합니다. “특히 폐에서는 호흡 운동 때문에 종양이 계속 움직입니다.”
FLASH 치료를 실험실에서 임상으로 가져오려면, Vozenin과 Loo 같은 연구자들은 몸속 깊은 곳에 초고선량을 빠르고 정밀하게 전달할 수 있는 장비가 필요했습니다. 초기 연구 대부분은 Favaudon의 4.5-megaelectron-volt Kinetron 같은 저에너지 전자빔에 의존했는데, 이는 표면 종양에는 충분하지만 인체에서는 수 센티미터 이상 깊이 도달하지 못합니다. 폐, 뇌, 복부의 심부 암을 치료하려면 훨씬 높은 입자 에너지가 필요합니다.
CERN에서는 FLASH 작업 중인 연구자들이 짧은 거리에서 전자를 초고출력으로 끌어올리기 위해 이 하드웨어를 개발하고 있다.
CERN
그들은 또한 기존 X선의 대안이 필요했습니다. 임상용 linac에서는 고에너지 전자를 bremsstrahlung 표적에 쏟아부어 X선 광자를 만들며, 이 표적은 텅스텐이나 구리처럼 원자 번호가 큰 재료로 만들어집니다. 표적은 전자를 감속시켜 운동 에너지를 X선 광자로 변환합니다. 이는 본질적으로 비효율적 과정으로, 빔 전력 대부분을 열로 낭비하며 FLASH에 필요한 초고선량률에 도달하기를 매우 어렵게 만듭니다. 반대로 고에너지 전자는 밀리초 단위로 켰다 끌 수 있습니다. 또한 전자는 전하를 갖고 자기장으로 조향할 수 있기 때문에, 몸속 깊은 종양까지 정확히 유도할 수 있습니다. (연구자들은 양성자와 탄소 이온도 조사하고 있습니다. 사이드바 “FLASH 치료에 가장 좋은 입자는?”를 보세요.)
Loo는 캘리포니아 멘로파크의 SLAC National Accelerator Laboratory로 향했고, 그곳에서 물리학자 Sami Gamal-Eldin Tantawi가 선형 가속기에서 전자기파가 이동하는 방식을 재정의하고 있었습니다. Tantawi의 발견은 입자에 에너지가 전달되는 방식을 정밀하게 제어할 수 있게 해 주었고—이는 소형이고 효율적이며 정밀하게 조율 가능한 장비로 가는 길을 열었습니다. FLASH 치료가 몸 깊은 종양을 표적하기 위해 필요로 하는 바로 그 기술이었습니다.
한편 Vozenin과 다른 유럽 연구자들은, 27킬로미터의 대형 강입자 충돌기(LHC)와 2012년 힉스 보손(다른 입자에 질량을 부여하는 “신의 입자”) 발견으로 가장 잘 알려진 CERN으로 향했습니다.
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CERN에는 CLEAR를 포함해 다양한 소형 선형 가속기가 있으며, Wuensch와 그의 팀은 이곳에서 고에너지 물리학 도구를 의학에 맞게 변용하고 있습니다.
FLASH 방사선 치료 연구가 진전되는 와중에도 핵심 질문은 남아 있습니다. 어떤 입자가 FLASH를 가장 잘 전달할까? 주요 후보는 전자, 양성자, 탄소 이온입니다. 각기 뚜렷한 장점과 한계가 있고, 비용·복잡도·임상 적용 범위에 대한 함의가 다릅니다.
전자—오랫동안 표면 종양 치료와 X선 생성에 사용되어 온—는 가볍고 민첩한 입자로, 양성자나 탄소 이온보다 제어가 훨씬 쉽습니다. 저에너지에서는 조직에서 빨리 멈추지만, 새로운 고에너지 시스템은 전자를 더 깊이 보낼 수 있습니다. 현재 연구자들은 서로 다른 각도에서 여러 개의 고에너지 빔을 결합해, 의사가 종양 형태에 맞춘 방사선 선량을 조형할 수 있는 장비를 개발하고 있습니다.
이 원리는 스탠퍼드와 SLAC에서 개발되어 TibaRay라는 스타트업에 라이선스된 Billy Loo의 PHASER(Pluridirectional High-energy Agile Scanning Electron Radiotherapy) 시스템의 기반입니다. 고효율 linac 배열이 여러 방향에서 동시에 X선 빔을 생성합니다. 높은 출력은 전자-광자 변환의 비효율을 상쇄해 FLASH 속도로 선량을 전달합니다. 종양에서의 빔 수렴과 전자적 성형이 3차원으로 선량을 맞추어, 비교적 단순한 인프라로 균일한 커버리지를 생성합니다.
양성자는 초기 임상 시험에서 선도해 왔는데, 이는 기존 양성자 치료 센터를 FLASH 선량 전달에 맞게 개조할 수 있기 때문입니다. 2020년 University of Cincinnati Health는 뼈로 전이된 암을 치료하기 위해 양성자 빔을 사용하는 첫 인간 FLASH 시험을 시작했습니다. Geneva University Hospitals의 Marie-Catherine Vozenin은 “현실적으로 보자면 양성자 빔은 당장 쓸 수 있으니, 있는 것으로 진행하자”라고 말합니다.
양성자는 최대 30센티미터까지 침투해 심부 종양에 도달할 수 있습니다. 하지만 연속 빔으로 양성자를 전달하는 방식은 선량률을 제한합니다. 또한 양성자 시스템은 X선 장비 같은 것들보다 훨씬 크고 비싸, 아마도 이용 가능성이 전문 센터로 제한될 것입니다.
탄소 이온은 소수의 최상위 시설에서 사용되며, 전자나 양성자에 비해 더 높은 정밀도와 생물학적 효과를 제공합니다. 특정 깊이에서 에너지가 급격히 침적되는 Bragg peak는 심부 또는 복잡한 종양에서 매력적입니다. 하지만 그 독보적 정밀도는 대가가 크며, 시설 하나당 비용이 미화 3억 달러를 넘습니다. —T.C.
LHC처럼 거대한 링을 따라 입자를 순환시키며 에너지를 축적한 뒤 충돌시키는 방식과 달리, CLEAR 같은 선형 가속기는 입자를 직선의 단일 경로로 보냅니다. 이 구성은 더 큰 정밀도와 컴팩트함을 제공해, FLASH 같은 응용에 이상적입니다.
CLEAR 시설의 중심에서 Wuensch는 20미터 빔라인을 가진 200-MeV 선형 가속기를 가리킵니다. 그는 “전 세계에서 온 물리학자와 엔지니어들이 실험을 수행하는, 창의성의 놀이터”라고 말합니다.
과정은 레이저 펄스가 photocathode에 닿아 초기 빔을 형성할 전자 버스트를 방출하는 것으로 시작됩니다. 이 전자들은 정밀 가공된 구리 공동을 연속적으로 통과하며, 고주파 마이크로파가 그들을 앞으로 밀어냅니다. 이어 전자들은 자석, 모니터, 포커싱 요소의 네트워크를 지나며, 서브밀리미터 정밀도로 실험 표적을 향해 형상을 잡고 조향됩니다.
연속 흐름 대신, 전자빔은 나노초 길이의 bunch로 나뉩니다—수십억 개의 전자가 라디오 주파수 장을 서퍼처럼 타는 셈입니다. 가속기 공동 내부에서 장은 초당 120억 번 극성을 뒤집기 때문에, 타이밍이 모든 것입니다. 가속 파와 완전히 위상이 맞아 도착하는 전자만 에너지를 얻습니다. 이 과정이 공동 사슬을 따라 반복되며, 각 공동이 bunch에 추가 추진력을 제공해 최종 에너지 200 MeV에 도달합니다.
물리학자 Marçà Boronat이 FLASH 방사선 치료를 위한 전자 가속에 쓰이는 고정밀 부품 중 하나를 검사하고 있다.
CERN
이 아키텍처의 상당 부분은 차세대 충돌기 건설을 목표로 한 수십 년간의 CERN 프로젝트인 Compact Linear Collider study에서 직접 가져왔습니다. 제안된 CLIC 기계는 11킬로미터에 걸쳐 뻗어 380 gigaelectron volts에서 전자와 양전자를 충돌시키게 됩니다. 이를 선형 구성으로 수행하려면—LHC처럼 링을 여러 번 도는 패스 없이—CERN 엔지니어들은 비교적 짧은 거리에서 전자를 고에너지로 끌어올리기 위해 매우 높은 가속 구배를 추진해야 했고, 이는 미터당 최대 100 megavolts에 이릅니다.
Wuensch는 나를 CLIC 노력의 프로토타입 구조물을 수용한 큰 실험 홀로 안내하며, 이제 FLASH 연구를 구동하는 데 도움이 되는 마이크로파 장치들을 가리킵니다. 충돌기로서 CLIC의 미래는 불확실하지만, 그 인프라는 이미 결실을 내고 있습니다. 언젠가 입자를 충돌시키는 것만큼이나 암을 치료하는 데 적합할 수 있는, 더 작고 고구배 가속기입니다.
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높은 구배를 뒷받침하는 전력은 실험 홀을 지배하는 X-band RF 시스템인 CERN의 Xboxes에서 나옵니다. 각 Xbox에는 klystron, modulator, pulse compressor, waveguide 네트워크가 들어 있어 마이크로파 펄스를 생성하고 형태를 잡습니다. pulse compressors는 공진 공동에 에너지를 저장한 뒤 마이크로초 버스트로 방출해, 최대 200메가와트의 피크를 만들어냅니다. 만약 연속이라면 최소 4만 가구에 전력을 공급할 정도입니다. Xboxes는 전력, 타이밍, 펄스 형태를 미세 조정할 수 있게 해 줍니다.
Wuensch에 따르면 최근의 가속기 개발 중 상당수는 컴퓨터 시뮬레이션과 고정밀 3차원 가공의 발전 덕분에 가능해졌습니다. 이러한 도구는 팀이 빠르게 반복(iterate)할 수 있게 하여, 새 가속기 부품을 설계하고 세대마다 빔 제어를 개선할 수 있게 합니다.
그럼에도 현실적 과제는 남아 있습니다. 전력 요구는 막대하고, 공간 요구 역시 큽니다. “컴팩트” 설계를 아무리 말해도, 원래 CLIC는 킬로미터에 걸쳐 뻗을 계획이었습니다. 당연히 병원에는 진짜로 컴팩트한 장비가 필요합니다.
Wuensch는 “프로젝트의 큰 도전은 이런 종류의 기술과 구성요소를 병원에 설치할 수 있다고 상상할 수 있는 무언가로 변환하는 것, 그리고 그것이 매일 신뢰성 있게 동작하게 만드는 것”이라고 말합니다.
이를 위해 CERN 연구자들은 Lausanne University Hospital(프랑스어 약어 CHUV)과 프랑스 의료기술 회사 Theryq와 협력해, FLASH에 필요한 매우 짧은 시간 스케일로 큰 심부 종양을 치료할 수 있으면서도 임상 환경에 맞게 축소된 병원 시설을 설계하고 있습니다.
Theryq의 연구센터와 공장은 프랑스 남부, Montagne Sainte-Victoire 산기슭 근처에 위치해 있습니다. 이는 석회암의 들쭉날쭉한 능선으로, Paul Cézanne이 수십 번이나 그려 빛과 형태의 변화를 포착했던 곳입니다.
확장 중인 회사의 CEO Ludovic Le Meunier는 “우리가 여기서 개발하려는 해법은 극도로 다재다능한 것”이라고 말합니다. “궁극적 목표는 몸 어디에 있든 어떤 고형 종양이든 치료할 수 있게 하는 것이고, 이는 요즘 암의 약 90%에 해당합니다.”
CERN과 회사의 임상 파트너들과 함께 개발 중인 Theryq의 FLASHDEEP 시스템은 길이 13.5미터의 140-MeV 선형 가속기를 갖고 있다. 이는 체내 약 20센티미터 깊이의 종양까지 치료할 수 있을 만큼 강력하다. 환자는 순간 조사 동안 지지된 서 있는 자세를 유지하게 된다.THERYQ
Theryq가 FLASH 방사선 치료를 실험실에서 임상으로 가져오려는 노력은 세 갈래 출시 전략을 따라왔고, 각 장치는 특정 깊이와 임상 용도에 맞게 설계되었습니다. 첫 번째 장비인 FLASHKNiFE는 2020년에 공개되었습니다. 표재성 종양과 수술 중 사용을 위해 설계된 이 시스템은 6 또는 9 MeV 전자빔을 전달합니다. 같은 해 CHUV에 설치된 프로토타입은 국소 피부암 환자를 위한 2상 시험을 수행 중입니다.
최근 Theryq는 방사선 생물학 연구를 위한 컴팩트한 7-MeV 플랫폼 FLASHLAB도 출시했습니다.
회사의 가장 야심찬 시스템인 FLASHDEEP는 여전히 개발 중입니다. 길이 13.5미터의 전자 소스는 100밀리초 미만에 최대 140 MeV의 매우 높은 에너지 전자를 몸속 20센티미터까지 전달할 것입니다. Leo Cancer Care가 개발한 환자 위치 지정 시스템에 통합된 CT 스캐너는 영상들을 치료 계획 소프트웨어로 직접 스트리밍해, 방사선 선량을 정밀하게 계산할 수 있게 합니다. Theryq 기술 매니저 Philippe Liger는 “빔이나 치료를 실제로 트리거하기 전에, 마지막 순간에 종양이 정확히 있어야 할 곳에 있는지 확인하기 위해 스테레오 이미지를 만든다”고 말합니다.
CERN의 CLEAR 가속기는 FLASH 파라미터를 규정하는 데 핵심적 역할을 해 왔지만, 살아 있는 유기체에서 FLASH를 연구하려는 연구자들은 다른 곳을 찾아야 합니다. CERN은 현장에서 동물 실험을 허용하지 않기 때문입니다. 이것이 FLASH 연구 과학자들이 점점 더 PITZ(Zeuthen의 Photo Injector Test Facility)로 향하는 이유 중 하나입니다. PITZ는 베를린 교외의 호숫가 녹지 지역에 있습니다.
PITZ는 독일의 국가 가속기 연구소의 일부로, European X-ray Free-Electron Laser의 전자 소스를 개발하는 임무를 맡고 있습니다. 이제 PITZ는, 비정상적으로 조절 가능한 가속기와 전임상 연구의 통제 조건을 보장하는 전용 생물의학 실험실을 갖춘 FLASH 연구 허브로 부상하고 있습니다.
독일 Zeuthen의 Photo Injector Test Facility(PITZ)에서는 전자빔 가속기[위]가 FLASH 방사선 치료의 초기 동물 실험에서 생물학적 표적을 조사하는 데 사용된다[아래].위: Frieder Mueller; 아래: MWFK
새 생물의학 실험실을 이끄는 생화학자 Anna Grebinyk는 “우리 시설의 가장 큰 장점은 선량률을 매우 단계적으로, 매우 정의된 방식으로 체계적으로 연구할 수 있다는 것”이며 “FLASH 효과를 체계적으로 최적화해 어디에서 가장 좋은 특성이 나타나는지 볼 수 있다”고 말합니다.
실험은 투명하고 빠르게 발달하는 특성 때문에 초기 연구에 가치가 큰 제브라피시 배아로 시작됩니다. 배아 이후에는 가장 유망한 파라미터를 생쥐에서 시험합니다. 이를 위해 PITZ 팀은 CT 영상과 CERN CLEAR 시설에서 개조한 로봇 위치 지정 시스템을 갖춘 소형 동물 방사선 연구 플랫폼을 사용합니다.
PITZ를 차별화하는 것은 빔라인의 유연성입니다. 30미터 가속기 시스템은 마이크로미터 정밀도로 전자를 조향해, 탁월한 밝기와 emittance(빔 품질 지표)를 가진 전자 bunch를 생성합니다. PITZ의 그룹 리더 Frank Stephan은 “우리는 원하는 어떤 bunch 분포든 설정할 수 있다”고 말합니다. “이는 시간 구조에 대해 엄청난 제어권을 준다”는 것입니다.
타이밍은 중요합니다. PITZ에서는 레이저를 맞은 photocathode가 전자 bunch를 생성하고, 즉시 최대 미터당 6천만 볼트까지 가속됩니다. 빠른 전자기 kicker 시스템은 고속 게이트키퍼처럼 동작하여, 고반복 빔에서 개별 전자 bunch를 선택적으로 편향하고 연구자의 필요에 맞게 조향합니다. 이런 bunch 단위의 정밀 제어는 FLASH 실험과 다른 방사선 치료 연구를 위해 빔 특성을 미세 조정하는 데 필수적입니다.
Stephan은 “아이디어는 1밀리초 안에 전체 치료를 끝내는 것”이라고 말합니다. “하지만 물론 이 1밀리초 동안 모든 것이 잘 동작한다는 것을 [trust]해야 합니다. 그 1밀리초 동안에는 멈출 기회가 없어요. 반드시 동작해야 합니다.”
선량을 규제하는 것은 FLASH의 가장 큰 기술적 장애물 중 하나로 남아 있습니다. 표준 방사선 치료에 쓰이는 전리함(ionization chambers)은 선량률이 마이크로초 동안 수백 배 치솟을 때 정확하게 반응할 수 없습니다. 그래서 연구자들은 이런 버스트를 정밀하게 측정하고 FLASH 전달의 극단적 속도를 따라잡을 수 있는 새로운 검출기 시스템을 개발하고 있습니다.
치료 잠재력을 넘어, FLASH는 암 생물학을 비추는 새로운 창을 열 수도 있습니다. Vozenin은 “내 의견으로 정말, 정말 흥미로운 것은, FLASH를 정상 조직과 종양의 차이를 이해하는 도구로 사용할 수 있다는 점”이라고 말합니다. “둘을 구분짓는, 우리가 아직 모르는 무언가가 반드시 있어야 하고—FLASH는 우리가 그것을 찾는 데 도움을 줄 수 있습니다.” 그녀는 그 차이를 규명하면 방사선뿐 아니라 약물에서도 완전히 새로운 개입법으로 이어질 수 있다고 말합니다.
Vozenin의 팀은 현재 정상 조직에는 존재하지만 종양에는 없는 장수 단백질(long-lived proteins)과 관련된 가설을 시험하고 있습니다. 만약 그 단백질들이 핵심으로 드러난다면, 그녀는 “그들을 조작하는 방법을 찾을 것이고—어쩌면 현상을 뒤집어 종양을 정상 조직으로 되돌릴 수도 있을 것”이라고 말합니다.
FLASH 지지자들은 이것이 전 세계 암 치료 격차를 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면, 저소득 국가에서는 환자의 약 10%만 방사선 치료에 접근할 수 있고, 중간 소득 국가에서는 약 60%만 접근할 수 있습니다. FLASH 치료는 종종 단 한 번의 짧은 세션으로 제공될 수 있기 때문에, 환자가 수 주 동안 치료를 위해 장거리 이동하는 부담을 줄이고, 클리닉이 훨씬 더 많은 사람을 치료할 수 있게 할 수 있습니다.
고소득 국가도 이점을 얻을 수 있습니다. 세션이 줄면 비용이 낮아지고, 방사선 치료 시설의 부담이 줄며, 환자에게 생기는 부작용과 생활 중단도 줄어듭니다.
이제 큰 질문은 이것입니다. 얼마나 걸릴까? 제가 대화한 연구자들은, 남아 있는 전임상 연구와 다단계 인간 임상 시험이 완료되고 장비가 더 작고 저렴하며 효율적으로 변함에 따라, FLASH가 약 10년 내에 일상적 임상 옵션이 될 수 있다고 추정합니다. 추진력의 상당 부분은 장치를 만들기 위해 경쟁하는 스타트업의 성장 분야에서 나오지만, 더 넓은 과학 공동체 역시 놀라울 만큼 개방적이고 협력적입니다.
Stephan은 “누구나 암을 자신의 경험으로 아는 친척이 있다”고 말합니다. “우리 엄마도 그 병으로 돌아가셨어요. 결국 우리는 인류를 위해 좋은 일을 하고 싶습니다. 그래서 사람들이 함께 일하는 겁니다.”
이 글은 2026년 3월 인쇄호에 실렸습니다.
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