사카시 나카모토의 첫 논문, 비트코인 탄생시키다

사토시 나카모토는 암호화폐 비트코인을 처음으로 제안한 인물이다. 실체가 베일에 싸인 가상의 인물로 보이는 사토시 나카모토는 2008년 10월  'A Peer-to-Peer Electronic Cash System'이라는 제목의 9쪽짜리 비트코인 관련 논문을 처음 발표했다. 그리고 2009년 '비트코인 코어'(Bitcoin Core)라는 프로그램을 공개하면서 비트코인이 처음 발행되었다.

사토시 나카모토의 'A Peer-to-Peer Electronic Cash System'을 우리말로 번역한다면 '비트코인:개인과 개인 전자 화폐 시스템'으로 표현될 수 있다. 다시 말해 제3의 기관(국가기관 혹은 금융기관)을 통하지 않고 직접 개인 간에 사용 가능한 전자화폐 시스템을 제시한 논문이다.

그 논문의 요약 부분을 한글로 쉽게 재 정리하고 설명하면 다음과 같다.

'전자 화폐(electronic cash)가 순수하게 개인과 개인간(peer-to-peer)의 지불 수단이 된다면, 그 방법은 금융 기관을 거치지 않고 바로 개인 간에 직접 지불할 수 있게 된다. 이 방법에 디지털 서명이 사용될 수 있긴 하지만, 이 새로운 방법의 진정한 장점은 이중 지불(double spending)을 방지하기 위해서 제3의 신용 기관이 필요하지 않다는 점이다.

우리는 금융기관을 거치지 않고 개인 간의 네트워크 (Peer-to-Peer network)로 이 문제를 해결한다. 이 네트워크는 거래를 해싱(hashing. 이터를 임의의 길이의 데이터로 바꾸어 주는 암호 함수)으로 암호화를 실행한다. 그리고 타임스탬프(특정한 시간을 알려주는 문자열)를 찍고 해싱 기반 작업증명(proof-of-work)을 서로 연결한 사슬(chain)로 만든다. 그 작업증명은 재 수행하지 않고서는 변경할 수 없는 기록을 생성해 변조를 불가능하게 한다.'

사토시 나카모토가 2008년 처음 발표한 비트코인 관련 논문 요약 부분.

사토시 나카모토의 논문은  국가 권력이나 공인된 중앙 집권적 기관 없이 개인 간에 직접 거래가 가능한 지불 수단을 제안한 것이다. 지불 인증을 받기 위해서 발생한 거래 정보를 해시라는 암호 함수를 이용해 일정 길이의 데이터로 변환한다.

또 이렇게 생산된 데이터는 날짜 정보와 함께 거래 내역이 장부로 만들어지면서 이 작업 장부들이 서로 연결돼 블록체인을 만든다. 그 결과 변경하기 매우 어려운 데이터가 되어 신뢰성과 정확성, 안정성이 보장된다. 달리 말하면 기존의 중앙 집권화된 화폐 권력을 개인들이 나누어 갖자는 개념이 핵심이라고 볼 수 있다. 따라서 화폐의 민주화 방향이라고 볼 수도 있고, 화폐 무정부주의라고도 말 할 수 있다. 기존의 중앙 집권화된 화폐 발행, 유통, 저장 권한의 문제점을 인식하고 변화를 추구한다고 본다.

채굴과 막대한 전기 요금 발생

이러한 암호화폐인 비트코인을 취득하는 방법은 세가지 방법이 있다. 먼저 '채굴'(mining)하는 방법이다. 두 번째는 남이 채굴한 비트코인을 사는 방법이다. 세 번째는 비트코인을 받고 물건을 파는 방법이다.

그런데 채굴 과정에서 비트코인의 복잡한 암호를 푸는 계산과정이 필요하다. 그리고 그 대가로 비트코인을 받는다. 이 암호의 난이도는 계속 높아진다. 채굴 과정이 마치 금을 캐는 것 같다고 해서 채굴이라고 부른다. 향후 100년간 발행되는 비트코인 숫자는 2100만개로 제한되어 있다. 마구잡이로 찍어 내서 인플레이션이 높은 기존 화폐의 문제점을 최소화 하려는 의도로 보인다. 그런데 이 비트코인을 채굴하기 위해선 강력한 GPU(그래픽처리장치)를 기반으로 한 고성능 컴퓨터 여러 대가 필요하다. 일단 컴퓨터 구입 비용이 들어간다. 그리고 암호 계산 과정에서 막대한 전기요금이 든다.

비트코인 채굴에 사용 가능한 엔비디아의 3차원 반도체인 GPU(그래픽 프로세서)와 HBM(고대역 메모리. 출처: KAIST.

반도체 혁신 초래한 비트코인

그래서 비트코인 채굴 비용을 줄이기 위해선 GPU(그래픽처리장치)가 소모하는 전력 양을 줄일 필요가 있다. 암호를 푸는 계산을 하기 위해 GPU 와 메모리 사이에 많은 데이터를 주고 받아야 하는데, 이때의 전력 소모는 GPU 입출력 신호 전력이 가장 큰 부분을 차지한다. 보통 입출력 배선의 전력 소모량은 배선의 길이에 비례한다. 납작한 실리콘 웨이퍼 상에 만들어 지는 기존의 반도체는 배선의 길이를 줄이기 어렵다.

그래서 요즘은 GPU와 메모리를 위로 쌓아서 수직으로 배선을 연결하는 3차원 반도체가 미래의 반도체로 각광받고 있다. 반도체를 얇게 갈아서 두께를 머리카락 굵기보다 얇은 30마이크로 미터 이하로 만들고 수 만개의 수직 구멍을 만들어 입출력 신호선을 수직으로 설계한다. 그러면 입출력 배선의 길이를 기존 2차원 반도체에 비해서 10분의 1이하로 줄일 수 있다. 더 나아가 수직으로 설계된 연결선을 많이 만들면 GPU 와 메모리 사이에 데이터를 빠른 시간에 많이 만들 수 있다.

SK 하이닉스의 3차원 반도체 메모리 사진. 출처: KAIST.

최근 대표적인 GPU 회사인 엔비디아의 매출이 급격히 오르고 주가도 지속적으로 오르고 있다. 그 원인을 알고 보니 비트코인의 채굴에 필요한 GPU 수요가 급증했다는 것이다. 중앙 집권화된 기존의 화폐 시스템을 개혁하고자 한 사토시 나카모토의 의도는 의도치 않게 반도체의 혁신을 촉발하고 있다.

더욱이 비트코인 채굴에 필요한 전기료를 아끼기 위해 이제 GPU 와 메모리가 3차원 반도체 구조로 가속화되고 있다. 이 3차원 반도체는 비트코인 채굴뿐만 아니라 4차 산업혁명의 핵심인 인공지능, 빅데이터 처리에도 유용하게 쓰이고 있다. 모두 데이터 처리량이 증가하고 동시에 전력 소모를 줄여야 하는 요구를 동시에 받고 있기 때문이다. 비트코인이라는 신 기술이 사회, 경제뿐만 아니라 기술 분야에도 어떤 큰 영향을 미칠지 주목해 볼 필요가 있다.

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

김정호 카이스트 교수.