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안녕하세요 친구들 👋 ,
즐거운 화요일이에요! 오랜만이에요.
한 달 전, Impulse Labs 의 창립자 Sam D'Amico를 만나 이야기를 나누었습니다. 우리는 이야기를 나누었고, 현대 전기 기술 스택에 대한 글을 함께 쓰기로 했습니다.
간단할 거라고 생각했습니다. 지난 수십 년 동안 스택 비용이 얼마나 감소했는지 보여주는 몇 가지 그래프(결과적으로 99%)와 특정 제품에 대한 수요가 비용 절감을 주도했다는 몇 가지 스토리, 바다빙, 바다붐.
한 달 동안 100시간 이상 조사하고 글을 쓰고, 4만 단어를 쓴 끝에 완성했습니다.
샘은 전기 스택(Electric Stack)을 널리 알리고 있으며, 그 영향력은 상당합니다. 바로 어제 a16z의 라이언 맥엔터시(Ryan McEntush)가 전기 산업 스택(Electro-Industrial Stack) 에 대한 훌륭한 글을 게시했는데, 여기서 우리가 다루는 주제들 중 일부를 다루고 있습니다. 더 많은 것이 필요합니다. AI에 관한 (그리고 AI가 작성한) 수백 권의 책, 수천 개의 에세이, 수백만 개의 트윗이 있지만, 이 주제에 대한 글은 미국의 우선순위를 반영하는 것이 거의 없으며, 이는 앞으로 바뀌어야 할 변화입니다.
이 글은 제가 이 대화에 기여하는 바입니다. 일렉트릭 스택(Electric Stack)의 역사를 심층적으로 살펴보고, 일렉트릭 슬라이드(Electric Slide)를 소개하며, AI에 미래를 걸겠다는 전략적 논리를 고심하고, 전기 시대를 통해 미국이 재건하고 승리할 수 있는 능력에 대한 신중한 낙관론으로 마무리합니다.
온라인 버전으로 바로 이동하려면: The Electric Slide Online을 읽어보세요.
PDF로 원하시면 여기에서 다운로드하실 수 있습니다: Electric Slide PDF
시작해 볼까요.
오늘의 Not Boring은 Vanta 가 선사합니다.
Vanta는 SOC 2, ISO 27001, HIPAA 등 35개 이상의 프레임워크를 자동화하여 성장하는 기업이 신속하고 간편하게 규정을 준수할 수 있도록 지원합니다.
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일렉트릭 슬라이드
AI 분야에서 가장 흥미로운 발전 중 하나는 미국의 AI 기업들이 주로 폐쇄형 모델에 집중하는 반면, 중국은 개방형 모델을 구축하고 있다는 점입니다.
그러면 이런 의문이 생깁니다. 왜 그럴까요?
표면적으로 보면 도박은 간단합니다. 중국이 최첨단 칩을 이용할 수 없다면, 오픈웨이트가 채택과 생태계 개발을 장려하는 가장 좋은 방법입니다.
그들은 다른 베팅을 하고 있는 것 같아요.
몇 년 전, 원자력 회사인 발라 아토믹스 의 창립자인 이사야 테일러가 한 말이 지금까지도 내 머릿속에 남아 있습니다.
우리 주변의 모든 것에는 소비재와 관련된 세 가지 기둥이 있습니다. 에너지, 지능, 그리고 민첩성 이죠.
저는 "민첩성"을 "행동"으로 일반화하고 싶습니다. 우리 주변에서 보고, 앞으로 보게 될 모든 것은 일을 할 수 있는 잠재력(에너지), 무엇을 어떻게 할지 결정하는 능력(지능), 그리고 물질을 조작하는 능력(행동)의 결과입니다.
경제적 관점에서 보면 에너지, 지성, 행동은 무엇이든 생산하는 데 있어서 강력한 보완재 입니다.
조엘 스폴스키의 잊지 못할 말 처럼, "똑똑한 기업은 자사 제품의 보완재를 상품화하려고 노력합니다."
미국은 암묵적이든 명시적이든 AI라는 형태로 지능을 얻는 사람이 미래의 승리자가 될 것이라고 내기를 하고 있습니다.
중국은 다른 생각을 하고 있습니다. 정보가 정말로 중요해지려면 에너지와 행동이 필요하다는 것입니다.
에너지와 행동을 통제하면 지성이 풍부해져 당신의 입지가 강화됩니다.
중국은 2010년에 전기 생산량에서 미국을 따라잡았고, 현재는 우리보다 2.5배 더 많은 전기를 생산합니다.
또한 전기를 행동으로 바꾸는 기술인 전기 스택 도 주도하고 있습니다.
즉, 중국은 미국이 힘을 쌓은 데 사용된 연소 엔진 기계를 대체하는 전기 자동차(EV), 드론, 로봇 및 기타 모든 전기 제품의 생산 수단을 통제하고 있다는 뜻입니다.
간단히 말해서, 전기로 작동할 수 있는 것은 무엇이든 전기로 작동할 것입니다.
아니, 경제적으로 전기화할 수 있는 것이라면 무엇이든 전기화될 것입니다.
그리고 인간이 기계에 지능을 부여할수록, 그러한 지능형 기계 중 중국인이 더 많아질 것입니다.
이것이 바로 중국이 AI를 상품화하는 데 열심인 이유입니다. 그들은 행동이 미래에 있어 훨씬 더 어렵고 따라서 더 가치 있는 부분이라고 생각합니다.
세부 사항이 중요한 이유는 세부 사항이 곡선을 만들고, 곡선이 운명이기 때문입니다.
이 글을 읽는 모든 분들은 무어의 법칙을 잘 알고 계실 겁니다. 여러분 중 많은 분들이 AI의 스케일링 법칙과 리치 서튼의 ' 쓰라린 교훈' 에 대해서도 잘 알고 계실 겁니다. 마치 마법처럼, 이러한 디지털 곡선은 스스로 실현되고, 그 대담함은 재능과 자본을 끌어들여 그 법칙을 실현하게 됩니다.
이러한 곡선은 물리적인 세계에도 적용됩니다.
우리는 모두 태양광 패널 비용 곡선을 잘 알고 있습니다. 태양광 에너지는 1975년 와트당 130.70달러에서 오늘날 와트당 0.31달러로 떨어졌습니다.
이는 전기 생산 과 관련이 있습니다. 석유, 석탄, 햇빛, 바람, 천연가스, 우라늄, 물 등의 연료를 전자로 변환하여 실질적으로 무엇이든 전력을 공급하는 것입니다.
우리는 또 다른 곡선 세트, 즉 전기 스택을 구성하는 곡선에 대해서는 덜 익숙합니다. 이 전기 스택은 전기를 소비 하고 작동시키는 제품을 만들기 위해 조립되는 레고 블록입니다.
2018년까지 배터리 에는 유사한 곡선이 있었지만, 전기 스택의 다른 층에는 그렇지 않았고, 전기 스택 곡선도 하나로 정의되지 않았습니다. 그래서 무어의 법칙이 사람들을 컴퓨터로 이끌었던 것처럼, 전기 스택을 기반으로 사람들이 제품을 개발하도록 유도하기를 바라며, 저희는 전기 스택을 개발했습니다.
각 곡선은 하나의 이야기를 전달합니다.
소니가 1991년에 리튬 이온 배터리를 출시한 이래로 배터리 팩의 가격은 98.7% 저렴해졌으며, 연간으로는 12.5% 감소했습니다.
1980년대 후반부터 하드 디스크 드라이브 모터에 Magnequench 및 Sumitomo 네오디뮴 자석이 통합되기 시작한 이후 전자기 작동 비용은 kW당 $204에서 $5로 98.8% 감소했으며 연간 감소율은 12.5%입니다. 1
그리고 Texas Instruments가 1970년대 후반에 계산기와 어린이 장난감에 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털 신호 프로세서(DSP)를 상용화한 이래로 초당 백만 개의 명령어(DMIPS)를 실행하는 데 드는 비용은 99.9% 감소했으며, 지난 35년 동안 연간 20%씩 감소했습니다.
우리가 아는 한, 이러한 곡선을 합성한 사람은 아무도 없습니다. 전기 스택의 각 구성 요소에 동일한 가중치를 부여하여 과거보다 오늘날 전기 제품을 만드는 데 드는 비용이 얼마나 감소했는지 파악합니다.
우리는 그것을 만들었고, 그것을 일렉트릭 슬라이드 라고 부릅니다.
이는 1990년 이래로 전기 스택 비용이 99% 감소했으며, 동일 가중치 스택을 사용하면 연간 12.6% 감소한 것을 보여줍니다.
하지만 어떤 제품의 부품 명세서(BOM)에도 부품 비용에 대한 가중치가 동일하게 적용되지 않으며, 두 BOM이 동일한 경우도 없습니다. 테슬라 모델 3는 BOM의 60%를 배터리에 사용할 수 있습니다. DJI 매빅 3 드론은 BOM의 40%를 컴퓨팅에 사용할 수 있습니다. 그래서 여기에서 직접 사용해 볼 수 있는 인터랙티브 일렉트릭 슬라이드를 제작했습니다.
오늘날 중국이 전기 스택의 두 층을 거의 전부 소유하고 있다는 것은 불가피한 일이 아니었고, 그럴 가능성도 없었습니다 .
4가지 핵심 전기 스택 기술은 1960년대와 1990년대 사이에 미국, 일본, 영국에서 각각 발명되었으며, 1990년대에 거의 동시에 결정적인 성숙 단계에 도달했습니다.
콘래드 배스터블은 이 레고 세트를 일렉트릭 플랫폼이라고 부릅니다. 이 주제에 대해 진지하게 깊이 있게 읽고 싶다면 그의 에세이 "Forsaking Industrialism" 을 읽어보세요. 이 에세이는 콘래드에게 그 글과 Hyperlegible에서 나눈 대화에 큰 빚을 지고 있습니다. 이 글 전체에서 두 가지를 명시적으로든 암시적으로든 언급할 것입니다.
다시 말해, 지난 반세기 동안 전기 스택(Electric Stack) 기술은 매우 저렴하고 강력해져서 신규 진입 기업들이 기존 기업보다 더 나은 성능의 제품을 개발할 수 있게 되었습니다. 이는 기업에도 해당하며, 제 "수직 통합자(Vertical Integrators) " 논제의 핵심 요소이기도 합니다. 또한 국가에도 마찬가지입니다.
Electric Stack 기술이 학습 곡선을 따라 내려감에 따라 중국은 세계가 원하는 것을 더 많이 생산할 수 있게 되었습니다.
BYD, DJI, 화웨이와 같은 중국 기업들은 단순히 값싼 부품을 만드는 데 그치지 않고 세계에서 가장 혁신적인 통합 기업으로 자리매김했습니다. 2024년 4분기에 BYD는 매출에서 테슬라를 추월했습니다. IEA 에 따르면 "중국은 여전히 세계 전기차 제조 허브로서 전 세계 생산량의 70% 이상을 담당하고 있습니다."
반대로, 미국은 미래에 AI가 수행할 역할을 체계적으로 과장하고 전기화가 수행할 역할을 과소평가하고 있습니다.
제가 Base Chapter 2 에서 썼듯이, "지능이 모든 관심을 받고 있지만, 저는 우리가 전기 시대 로 접어들고 있다는 확신이 점점 커지고 있습니다. 자동차, 로봇, 비행 자동차, 드론, 가전제품, 보트 등 전기로 구동될 수 있는 모든 것은 전기로 구동됩니다. 전기가 더 나은 성능을 발휘하기 때문입니다. 지능조차도 전기에 대한 접근성에 의존합니다."
더 넓게 보면, 미국의 암묵적인 입장은 다음과 같습니다. 미국은 소프트웨어, 칩 설계, 생명공학 연구와 같은 고부가가치 창작 분야에 집중하고, 대만과 중국을 비롯한 다른 국가들은 저마진 제조업을 담당한다는 것입니다. 이는 시대에 뒤떨어진 입장입니다.
제조와 디자인은 불가분의 관계입니다. 제품을 만들다 보면 더 나은 제품을 만드는 방법을 배우게 됩니다. 기본 스택의 어떤 부분을 개선해야 하는지 파악하고, 개선하여 더 나은 제품을 만들어냅니다. 이는 Electric Stack 이야기에서 끊임없이 반복되는 주제입니다.
텍사스 인스트루먼트는 자체 마이크로컨트롤러를 개발하여 계산기 전쟁에서 승리했습니다. 소니는 리튬 이온 배터리를 벤치마크 규모에서 대량 생산 규모로 확대하여 효율을 50% 향상시켰습니다. BYD는 배터리를 대량 생산한 후 자동차 생산에 돌입했는데, 이 두 분야에 대한 깊은 지식을 바탕으로 초기에 LFP에 투자하고, 현재 전기차 시장을 장악하고 있는 블레이드 배터리를 개발할 수 있었습니다. DeepSeek이 엔비디아 소프트웨어의 핵심을 다른 어떤 기업보다 깊이 있게 파고들었기에, 상대적으로 성능이 떨어지는 칩에서도 OpenAI와 대등한 성과를 거둘 수 있었던 것은 당연한 일입니다.
일론 머스크에 대한 책을 쓴 애슐리 밴스는 최근 "지난 20년간 미국 제조업의 가장 큰 성공 사례는 테슬라와 스페이스X입니다. 그리고 이것이 문제입니다." 라고 썼습니다 . 공장 바닥에서 잠을 자며 공장이 곧 제품이라고 주장하는 사람, 그리고 수직적 통합을 가장 열렬히 받아들인 기업가가 바로 이 두 회사를 운영하는 사람이라는 사실은 놀라운 일이 아닙니다.
앞으로 살펴보겠지만, 모델 3의 혁신은 테슬라를 구성하는 모든 구성 요소와 그 구성 요소들의 작동 방식에 대한 심층적인 지식에서 비롯되었습니다. 이러한 지식은 테슬라가 코로나19 칩 부족 사태 속에서도 성장하는 데 도움이 되었습니다.
하지만 더 심각한 점은, 미국의 우위가 고부가가치 창작 분야에 있다면, 경제적, 군사적 우위를 제공할 만큼 충분한 능력을 갖춘 AI가 그 우위를 상품화한다는 것입니다.
Conrad와의 대화 에서 지적했듯이, "미국의 이점이 지적 재산권과 디자인 등이라고 믿는다면, 우리가 그것을 상품화하기 위해 경쟁하고 있다는 사실은 이전에는 알지 못했던 방식으로 실제로 엄청나게 아이러니합니다."
이것이 바로 중국이 정보 공개를 시작한 이유입니다.
클레이튼 크리스텐슨의 '매력적 이익 보존 법칙'에 따르면, 지능이 상품화되면 이익은 가치 사슬의 인접한 계층으로 이동합니다. 예를 들어 지능이 존재하는 전자 제품처럼 말입니다. 상품화된 두뇌를 가진 로봇은 두뇌 자체보다 가치 사슬에서 더 많은 이익을 차지할 수 있으며, 특히 오픈 소스 모델이 충분히 발전한다면 더욱 그렇습니다.
솔직히 말해서, 전기 시대에 제조 리더십 없이 설계 리더십을 유지하는 것은 일관된 전략적 입장이 아니며, AI가 더 발전할 것이라고 믿을수록 그러한 입장은 점점 더 일관성이 없어집니다.
그리고 전기 시대가 다가오고 있습니다. 전기 제품이 훨씬 좋아졌고, 앞으로도 계속 좋아질 것이기 때문입니다.
제 직업의 일환으로 저는 미래를 조금 볼 수 있게 되었고, 제가 보기에 전자 제품이 앞으로 수십 년 동안 승리할 것입니다.
몇 달 전, 오스틴 호수에서 Arc의 전기 보트인 ArcSport를 타러 갔습니다. 제가 타 본 어떤 스피드보트보다 빠르고, 회전도 날카롭고, 조용했습니다. 게다가 스스로 정박하기도 했습니다.
몇 주 전, 저는 캘리포니아에 있는 Zipline의 테스트 사이트에 가서 드론이 완벽한 위치를 유지하는 모습을 직접 관찰했습니다. 정밀한 전력 전자 장치와 실시간 컴퓨팅을 통해 여러 개의 로터에 걸쳐 완벽한 동기화를 이루면서 초당 수백 번씩 추력을 조정할 수 있는 전기 모터 덕분이었습니다.
암 조기 진단 에 사용되는 MRI 기계는 강력하고 정밀하게 제어되는 전자석에 전적으로 의존합니다. Base Power Company의 가정용 배터리와 같은 경우, 전기 스택 없이는 가정에 전력을 공급하거나 전력망의 균형을 유지할 수 없습니다. 현대식 산업용 로봇, 수술용 로봇, Matic의 바닥 청소 로봇, 미래형 휴머노이드 로봇 등 모든 로봇은 서보 모터, 정교한 전력 전자 장치, 리튬 배터리, 그리고 첨단 컴퓨팅으로 구성됩니다.
이러한 제품들은 모두 현재 출시되어 있습니다. 전기 스택의 비용이 지속적으로 감소하고 성능이 지속적으로 향상됨에 따라, 새로운 제품들이 출시 가능성의 단계에 접어들고 있습니다.
예를 들어, 아스트로 메카니카(Astro Mechanica)는 전기 모터가 무게에 비해 충분히 강력해졌기 때문에 효율적인 초음속 비행기를 제작할 수 있습니다. 배터리의 밀도가 높아지고 모터의 효율이 높아짐에 따라 전기 비행기의 필요성이 점차 부각될 것입니다. 비행 자동차도 마찬가지입니다. 더 똑똑한 지능보다 더 중요한 것은 저렴한 휴머노이드 로봇을 원한다면 더 나은 배터리, 모터, 인버터, 그리고 마이크로컨트롤러가 필요하다는 것입니다.
사실, AI가 물리적 제품에서 역할을 수행하게 하려면 먼저 전기 스택에서 제품을 재구축하여 AI의 언어로 말할 수 있도록 해야 합니다.
제 생각에 미국이 AI에 열광하면서도 전기화(어쩐지 정치화되었죠)에는 상대적으로 관심을 두지 않는 이유 중 하나는, 전기 스택(Electric Stack)이 복잡하기 때문이라고 생각합니다. 현실 세계에 존재하는 것이죠.
우리가 완전히 이해하지는 못하지만, 의지대로라면 최고인 것처럼 보이는 마법 같은 디지털 기술이 우리의 고통을 기적적으로 해결해 줄 것이라고 상상하기는 쉽습니다. 하지만 이렇게 상호 연결된 물리적 기술 스택을 어떻게 재건하고 개선할 수 있을지 상상하기는 더 어렵습니다. 이 스택은 수십 년간의 연구, 행운, 시장의 힘, 천재성, 그리고 엄청난 노력을 통해 이 지경에 도달했으며, 중국이 그토록 철저하게 장악하고 있는 기술 스택입니다.
희망만 품는 시대는 끝났습니다. 다시 건설해야 할 세상이 있습니다.
Electric Stack을 소유한 사람은 자신의 이미지로 Stack을 재건할 권리가 있습니다.
학습 곡선은 놀라울 정도로 유용한 지침입니다. 학습 곡선을 통해 우리는 어디에서 왔는지, 그리고 더 중요하게는 어디로 가고 있는지 알 수 있습니다.
하지만 곡선은 너무 매끄러워 제대로 이해하기 어렵습니다. 그 매끄러움 뒤에는 수많은 복잡성이 숨겨져 있습니다. 연구, 실패, 우연, 사업 거래, 제품, 산업 계획, 그리고 독창성들이 어떻게든, 거의 불가능하게 어우러져 우리가 사는 세상을 만들어냈죠.
그래서 우리는 둘 다 다루어야 하며, 엄청나게 깊이 파고들어서 그 기적과 도전의 규모를 실제로 느낄 수 있도록 해야 합니다.
미국이 미래를 얻고 싶다면, 싸움을 갈망해서가 아니라 세계 최대 규모이자 가장 혁신적인 경제라는 지위를 유지하고 싶어서라면, 수직적 통합이 필요합니다. 전기 스택의 모든 부품을 제조할 수 있는 능력, 그리고 그 능력을 바탕으로 최고의 제품을 만드는 방법에 대한 이해, 그리고 확장 가능한 역량을 갖춰야 합니다.
이 힘을 되찾는 건 쉽지 않을 겁니다. 거의 불가능해 보입니다. 산업 정책, 혁신, 정부 지원, 소비자 수요, 그리고 약간의 자유 시장 마법이 필요합니다. 지금 우리는 스스로에게 강철 발가락을 쏘고 있는 셈입니다.
역사를 공부하면서 우리가 배울 수 있는 한 가지는 전자 제품에 대한 수요가 규모, 비용 감소, 성능 개선을 촉진한다는 것입니다.
안타깝게도 미국에서 전기화는 불필요하게 정치화되었고, 문화적 연관성 때문에 냉혹한 전략적 현실이 가려졌습니다. 현 행정부는 원자력 발전(EO)을 통한 전력 생산과 국방부의 MP Materials에 대한 4억 달러 투자와 같은 부품의 중요성에 대한 이해를 보여주었지만, 수요 측면의 인센티브 축소는 미국 제조업의 주도권을 회복할 수 있는 바로 그 학습 곡선을 저해하고 있습니다.
제가 대통령이라면 모든 미국인 남녀노소가 전기 자동차, 히트 펌프, 드론, 인덕션 스토브, 로봇을 갖도록 할 것입니다. 미국의 수요는 아마도 세계에서 가장 강력한 동력일 것이며, 전기 시대에 경쟁력을 유지하기 위해 전기 스택을 경제적으로 국내로 이전할 수 있는 최선의 기회입니다.
저는 우리가 현재에 이르게 된 과정을 더 잘 이해함으로써 이런 실수를 피하고, 앞으로 어디로 가야 할지 더 잘 결정할 수 있기를 바랍니다.
로드맵
이 글은 Not Boring의 기준으로 봐도 짧지도, 가볍지도 않습니다. 그 이유는 몇 가지 있습니다.
무엇보다도, 저는 전기 스택이 현대 세계와 미래에 중요하다고 믿지만, 우리는 전기 스택의 역사와 세부 사항에 대해 너무나 모르고 있습니다.
제가 "우리"라고 말할 때, 그건 분명 저를 의미합니다. 아시다시피, 이 글을 쓰는 과정에는 "아! 이런 식으로 돌아가는구나"라는 생각이 많이 들었습니다. AI가 모든 것을 해결해 줄 거라고 손짓하듯이, WSJ에서 읽은 헤드라인이나 피드에서 스크롤하며 본 트윗을 바탕으로 일렉트릭 스택의 구성 요소에 대해서도 손짓합니다.
"미국이 배터리 생산을 중국에 의존하지 않는 것이 중요합니다!" 네, 하지만 왜, 그리고 어떤 수준에서 통합해야 할까요? "중국이 희토류 자석 생산의 90%를 장악하고 있습니다!" 네, 좋습니다. 하지만 희토류 자석이란 무엇이고, 어떤 역할을 하며, 왜 우리가 희토류 자석을 중국에서 생산해야 하는지, 그리고 어떻게 그렇게 할 수 있을까요? 이렇게 광활한 역사적 세부 사항들을 파고들면서 미래에 대해 더욱 미묘한 대화를 나눌 수 있기를 바랍니다.
둘째, 저는 이 이야기가 흥미롭다고 생각합니다. 이 이야기는 숨겨진 전설과 사업 사례 연구, 즉 성공과 실패로 가득 차 있으며, 그것들이 세상이 움직이는 방식을 형성합니다.
이번에 우리의 노력이 올바른 방향으로 나아가려면 과거에 어디에서 잘못되었는지(또는 어디에서 옳았는지) 이해해야 합니다.
마지막으로, 곡선 자체가 이야기를 전달하고, 미래를 예측하며, 그렇게 함으로써 그 미래를 실현하기 때문입니다.
현대 전기 제품을 구성하는 부품들은 매우 저렴해지고 성능도 향상되어 매년 완전히 새로운 제품들이 가능해지고 경제성을 갖추고 있습니다. 물리적 세계와 상호 작용해야 하기 때문에 이러한 제품들이 지속될 가능성은 낮아 보이지만 , 어쨌든 지속되고 있습니다. 사람들은 태양광 발전의 저렴함을 계속해서 과소평가하고 있으며, 이는 전기 스택을 기반으로 하는 대부분의 제품들도 마찬가지일 것입니다.
단순히 곡선을 보여주는 것 외에도 이야기를 쓰는 또 다른 이유가 있습니다. 모든 이야기는 마치 마지막 가지를 친 듯한 기술 나무를 보여줍니다. 어딘가에서 누군가 새로운 화학 반응을 시도하거나, 새로운 원소를 추가하거나, 레고 블록을 마치 딱 들어맞는 것처럼 구성하기 전까지 말입니다. 적어도 꼭 필요한 특정 제품에는 충분히 작동하게 되는 것이죠… 그리고 그 이후는 역사가 될 것입니다. 곡선은 계속됩니다.
이런 에세이에서는 두 가지 그림 중 하나를 그리는 위험이 있습니다. 중국을 이기기 위해 우리가 할 수 있는 모든 것을 해야 한다는 그림이냐, 아니면 우리가 너무나 절망적으로 뒤처져서 아무 의미가 없고, 가장 중요한 경기가 아니더라도 이길 수 있는 경기에만 집중해야 한다는 그림이냐.
저는 곡선이 낙관적인 이야기를 전한다고 생각합니다. 서양 과학과 동양 제조업 덕분에 이러한 기술이 이제 경제적으로 전기 세계를 건설하는 것이 점점 더 가능해지는 지점에 도달했다는 것입니다.
긴 글이지만, 제가 지난 한 달 동안 조사하고 쓰는 것을 좋아했던 글입니다. 전기 시대가 어떻게 시작되었는지, 그리고 전기 시대가 어디로 갈 것인지 이해하고 싶어 하는 사람들에게는 이 글이 가장 포괄적인 자료라고 생각합니다.
다룰 내용은 다음과 같습니다.
전자기의 간략한 역사: 전기 시대를 주도한 힘.
전기 모터의 작동 원리: 기본 사항 확립
리튬 이온 배터리: Li-Ion, NMC, NCA, Tesla, BYD, CATL, LFP.
자석과 전기 모터: 세계를 돌리는 네오디뮴 자석.
반도체의 세기: 컴퓨터의 탄생.
전력 전자 및 제어 시스템: 전기를 스스로 제어합니다.
임베디드 컴퓨팅: 마이크로컨트롤러, DSP, ARM, RISC-V.
교훈과 교훈: Electric Stack의 역사에서 무엇을 배울 수 있을까?
전기 스택 재건: 미래를 건설하는 데 필요한 것
미리 분명히 해두자면, 서부 지역의 전기 스택을 재구축하는 것은 어렵지만 가능합니다. 미국은 여전히 세계 최고의 수요와 기업가 정신을 가진 엔진을 보유하고 있습니다. 두 엔진 모두 약 100만 RPM으로 가동해야 합니다.
그럼 더 이상 미루지 말고 시작해 볼까요? 물론, 가장 기본적인 물리학부터 시작해야겠죠.
전자기학의 간략한 역사
19세기와 20세기 초에 가장 중요한 두 가지 물리학적 발견은 같은 형태를 띠었습니다. 여러분이 다르다고 생각했던 이 두 가지는 실제로는 같은 것입니다.
1905년, 아인슈타인은 현재 물리학에서 가장 유명한 공식인 e= mc²을 처음으로 발표했습니다. 질량은 에너지가 될 수 있고, 에너지는 질량이 될 수 있습니다. 이렇게 하여 원자폭탄과 핵에너지가 가능해졌습니다.
40년 전, 스코틀랜드 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 패러데이, 베버, 콜라우시의 연구를 확장하여 덜 인용되지만 그에 못지않게 중요한 등가성을 도출했습니다. c = 1 / √μ0ε0 . 전기와 자기는 하나의 장이며, 빛은 그 파동입니다 .
맥스웰은 전기장과 자기장이 연속적인 매질에서 어떻게 상호작용하는지 보여주었습니다. 1890년대에 네덜란드 물리학자 헨드릭 안톤 로렌츠는 물질의 전자 모델을 제시하여 맥스웰 방정식이 금속과 기체의 전도도부터 스펙트럼의 미세한 세부 묘사에 이르기까지 실제 물질의 전기적, 자기적, 광학적 거동을 어떻게 예측하는지 보여주었습니다.
로렌츠는 맥스웰 방정식을 전자의 거동에 맞추려면 아주 작은 전하 운반자가 필요했기 때문에 전자의 존재를 가정했습니다. 1897년, 영국 물리학자 JJ 톰슨 경은 전자의 존재를 실험적으로 증명했습니다.
로렌츠는 전자 이론을 구축하면서 전기장 E와 자기장 B에서 속도 v로 움직이는 전하 q 에 작용하는 힘을 공식화했습니다 . F = q(E + v×B).
이렇게 해서 전기 모터, 드론, 전기 자동차가 가능해졌습니다.
전기 모터는 전기 액추에이터(전기 에너지를 기계적 운동으로 변환하는 장치)의 한 유형입니다. 액추에이터 자체는 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 변환기 또는 에너지 변환 장치의 하위 집합입니다.
일렉트릭 스택은 전기를 운동으로 변환할 뿐만 아니라, 열 (인덕션 스토브), 자기장 (MRI), 빛 (LED 디스플레이), 소리 (스피커), 그리고 다시 전기 (회생 제동)로 변환합니다. 이러한 다재다능함, 즉 정밀한 제어를 통해 전기 에너지를 다양한 형태의 유용한 작업으로 변환할 수 있는 능력이 바로 일렉트릭 스택을 그토록 강력하게 만드는 것입니다.
연소는 화학 에너지를 열과 운동으로 변환하지만, 상당한 손실과 제어가 어렵습니다. 전자기 시스템은 놀라운 효율과 정밀성을 바탕으로 에너지 형태를 변환할 수 있습니다.
이것이 거의 모든 것이 전기로 작동할 수 있는 이유입니다. 맥스웰의 통일장 이론은 에너지 제어의 수학적 토대를 제공했고, 로렌츠의 힘 방정식은 전기, 자기, 물질 간의 모든 상호작용을 지배합니다. 전자기 제어를 통해 에너지 변환을 마스터할 수 있습니다. 에너지 변환을 마스터하면 사실상 모든 것을 새롭게 만들 수 있습니다.
하지만 "사실상 모든 것"은 끓이기에는 너무 큰 바다와 같습니다(유도 스토브를 사용하더라도). 따라서 전기 스택의 원리를 이해하기 위해 전기 모터의 작동 원리를 알아보겠습니다.
전기 모터의 작동 원리
원하신다면 지금 당장 영구 자석 세 개만으로 아주 느린 모터를 만들 수 있습니다. 영구 자석은 제가 자석이라고 하면 떠올리는 일반적인 자석입니다. "영구"라는 말은 항상 자기를 띠고 있기 때문에 켜고 끌 수 없다는 뜻입니다.
그중 하나의 북극과 남극 사이에 구멍을 뚫고, 거기에 축을 꽂으세요. 이것이 회전자 입니다.
자석은 반대 극을 끌어당기고 같은 극을 밀어내기 때문에 S 고정자는 회전자의 N 극을 끌어당기고 고정자의 N 쪽은 밀어내어 S 고정자 쪽으로 회전합니다.
로터가 이 정렬에 가까워지면 손에 든 자석을 재빨리 뒤집어 안쪽을 향하는 극이 바뀌도록 하세요. 이제 N형 고정자가 N극을 밀어내고 로터의 S극을 끌어당기게 됩니다.
적절한 타이밍에 이 작업을 계속해서 반복하면 막대를 돌리는 모터가 생기고, 여기에 기어와 같은 부품을 부착하여 회전에서 발생하는 에너지를 다른 방향으로 전달할 수 있습니다.
회전 하는 게 아니라는 점에 유의하세요. 당신의 에너지는 회전하지 않습니다. 단지 자석을 움직일 뿐입니다.
자기력이 회전을 담당합니다. 그 외의 모든 것은 자석을 올바른 극성을 가진 올바른 위치에 배치하는 것입니다. 나머지는 자연이 알아서 처리합니다.
자동차와 에너지를 유용한 일로 바꾸는 모든 종류의 제품에 있어서 비용 물리학은 전기 스택 쪽에 있습니다.
물론 이 수동 모터의 비용 물리학은 개똥같습니다. 모터가 아예 없는 것보다 더 끔찍하죠. 직접 샤프트를 돌리는 게 더 쉬울 겁니다 (여기에 얼마나 연습했는지에 대한 농담을 넣으세요). 하지만 이 장난감 모델은 훌륭합니다. 전기 스택이 위의 각 부품을 현대 기술로 대체하여 모터를 더 빠르고 안정적으로 회전시키고, 평형을 향해 나아가려는 전자기력을 더욱 효과적으로 제어하기 때문입니다.
전기 모터(전자석)는 영구 자석 고정자를 대체합니다. 영구 자석을 물리적으로 움직이는 대신, 제어 가능한 전자석(전류가 흐르는 전선 코일)이 회전 자기장을 생성하며, 이 자기장은 최적의 토크와 속도에 맞춰 조절될 수 있습니다.
네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 자석은 기성 페라이트 자석을 회전자로 대체하여 크기 대 강도 비율, 최대 에너지 곱(BHmax), 잔류 자기(자기장 강도) 및 보자력(자기를 제거하기 어려운 정도)이 훨씬 뛰어납니다.
리튬 이온 배터리는 고정자의 극성을 전환하는 데 필요한 에너지를 대체합니다. 이 배터리는 전선 코일을 통해 전류를 보내는데, 맥스웰과 로렌츠의 발견 덕분에 코일은 자석, 즉 전자석으로 변합니다.
전력 전자 장치는 스위치를 조작하는 데 손을 대신합니다. 자석을 수동으로 조작하는 대신, 정교한 반도체 스위치가 초당 수천 번씩 전류를 흐르게 하여 전자석을 완벽한 정밀도로 켜고 끕니다.
컴퓨팅이 눈과 의사 결정을 대체합니다. 센서는 로터의 정확한 위치를 감지하고, 마이크로프로세서는 각 스위치의 완벽한 타이밍을 계산하여 실시간으로 효율성, 속도, 그리고 부드러움을 최적화합니다.
이 네 가지 기술을 합치면 비실용적인 수동 모터가 수년간 안정적으로 20,000RPM 이상 회전하고, 정밀한 토크 제어를 제공하며, 95% 이상의 효율로 전기 에너지를 기계적 운동으로 변환할 수 있는 장치로 변신합니다.
이 스택의 작동 원리를 이해하는 것은 앞으로 다룰 모든 내용에 매우 중요하기 때문에, 손으로 그린 그림만으로는 부족할 수 있습니다. 이 영상은 조회수 2,100만 회를 기록했으며, 기본적인 내용을 잘 보여주는 좋은 입문 영상입니다.
그리고 네오디뮴 자석을 사용한 최신 브러시리스 DC 모터의 작동 원리를 알고 싶거나 직접 만들어보고 싶다면(!) 이것도 좋은 방법입니다.
Electric Stack을 통합한 모든 제품은 동일한 구성 요소와 개념을 다른 방식으로 사용합니다.
예를 들어 유도 스토브는 전력 전자 장치, 컴퓨터, 배터리(Impulse의 경우), 전자기 코일을 사용하지만 영구 네오 자석은 사용하지 않습니다. 금속 팬 자체가 "회전자" 역할을 하고 변화하는 자기장이 팬에 직접 전류를 유도하여 열을 생성합니다.
기억하세요: 이 모든 것은 평형을 향해 나아가려는 전자기력을 더 잘 제어하는 데 맞춰져 있습니다 . (함께 외쳐 보세요!)
리튬 이온 배터리
2022년 8월, 우리 친구 노아 스미스는 이것이 배터리의 10년이 될 것이라고 선언했습니다.
그는 "배터리가 그토록 중요해진 근본적인 이유는 기술이 엄청나게 발전했기 때문"이라고 썼습니다.
1991년 이래로 리튬 이온 배터리의 비용(kWh당 $)은 연평균 12.5%씩 98.8% 감소했습니다.
어떻게 이런 일이 일어났을까요? 배터리의 추락과 중요성의 증가는 50년 전, 에너지 업계의 구시대 괴물, 엑손모빌의 뱃속에서 시작되었습니다.
배터리 연구
1976년에 그는 최초의 충전식 리튬 배터리를 개발했고, 이로 인해 2019년 노벨 화학상을 공동 수상하게 되었습니다.
모든 배터리에는 한쪽에는 양극이 있고 다른 쪽에는 음극이 있으며 그 사이에 전해질이 있습니다.
충전 시에는 기본적으로 역순으로 진행됩니다. 휘팅엄을 비롯한 많은 연구자들이 충전식 리튬 이온 배터리를 개발해 온 것도 바로 이 때문입니다. 충전이 불가능하다면 전기차나 드론의 경제성은 급격히 떨어집니다.
휘팅엄은 리튬이 양극으로 사용하기에 이상적인 전기화학적 특성을 가지고 있음을 깨달았습니다. 리튬은 가장 가벼운 금속으로 (배터리 무게에 유리하며) 최외각 전자 껍질에 단 하나의 외로운 전자가 있어 필사적으로 빠져나오려 하고 있습니다.
여기서 휘팅엄이 노벨상을 공동 수상한 이유가 다시 생각납니다. 그의 배터리가 가끔 폭발했기 때문입니다.
휘팅엄의 배터리는 양호했습니다. 방전 시 전압은 2.2V, 셀 수준에서는 ~70Wh/kg⁻¹이었고 충전도 가능했습니다! 하지만 충분 하지는 않았습니다.
하지만 문제는 바로 그거였지? 폭발 때문이었어. 굿이너프의 배터리도 폭발했어. 양극에 있는 순수 리튬을 제거하지 않았던 거야.
전압 증가는 굿이너프가 2019년 노벨상을 공동 수상할 만큼 충분히 좋았지만, 상업적으로 사용하기에는 충분하지 않았습니다.
