[성과] 임성주·김기강 교수팀, 초고속·초저전력 차세대 비휘발성 메모리 개발

오늘날 인공지능(AI), 빅데이터, 자율주행 등 첨단 기술이 쏟아내는 정보의 양은 상상을 초월할 정도로 방대하다. 하지만 우리가 사용하는 일반 컴퓨터나 스마트폰은 계산을 담당하는 두뇌(연산 장치)와 정보를 기억하는 창고(메모리)가 서로 떨어져 있어, 그 사이를 오가는 데이터가 늘어날수록 심각한 병목현상과 과도한 전력 소모가 발생한다. 이를 해결하기 위해 인간의 뇌처럼 한곳에서 계산과 기억을 동시에 처리하는 '인메모리(In-memory) 반도체' 기술이 미래 핵심 대안으로 손꼽힌다. 특히 전기가 끊겨도 정보를 잃지 않는 비휘발성 메모리는 필수적이지만, 기존 소재들은 반복해서 쓰다 보면 쉽게 손상되거나 저장 능력이 떨어져 오랜 시간 안정적으로 작동하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 난제를 풀기 위해 로마 신화 속 두 얼굴의 신에서 이름을 딴 ‘야누스’ 나노 신소재에 주목했다. 연구팀은 두께가 약 0.4나노미터(머리카락 굵기의 수십만 분의 일 수준)에 불과한 얇은 원자 한 층에서, 윗면은 셀레늄(Se), 아랫면은 황(S) 원자로 비대칭 배열된 ‘MoSeS’ 소재를 정밀하게 합성했다. 이 소재는 전기가 흐르는 반도체 특성과 전기를 저장할 수 있는 성질을 단 한 겹의 원자층 안에 동시에 갖추고 있어, 아주 미세한 전압 신호만으로도 전하의 방향을 번개처럼 빠르게 바꿀 수 있는 것이 특징이다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 새로운 메모리 소자는 기존 메모리로는 감지하기 힘들었던 16.5나노초(1억분의 1.65초 수준)의 찰나와 같은 전기 신호에도 즉각 반응해 정보를 읽고 쓰는 초고속 스위칭 성능을 달성했다. 또한 1회 작동에 사용되는 전력 소모를 펨토줄(1,000조 분의 1줄) 단위 수준으로 대폭 낮추어 배터리 부담을 획기적으로 줄였다. 무엇보다 데이터를 1,000만 번 이상 지우고 다시 써도 성능이 전혀 떨어지지 않는 놀라운 내구성을 증명해 내며 차세대 반도체의 실용화 가능성을 높였다.

임성주 교수와 김기강 교수는 “이번 연구는 두께가 원자 수준에 불과한 단일층 나노소재를 이용해 기존 메모리 소자가 안고 있던 내구성 저하와 전력 소모 문제를 동시에 극복할 수 있음을 입증한 결과”라며, “사람의 뇌 신경망을 닮은 뉴로모픽 컴퓨터와 고효율 인공지능 하드웨어를 현실화하는 중요한 원천 기술이 될 것”이라고 기대를 전했다.

출처 : 에스프레스(S-PRESS)(https://www.spressnews.com)