아주대, 차세대 지능형 메모리 PIM 신소자 개발 성공

국제학술지 ‘어드밴스드 머티어리얼스’ 5월호 권두 표지논문

[수원=뉴시스] 왼쪽부터 아주대대학원 이왕곤, 서형탁(책임교수), 모히트 쿠마(교수), 김운정씨 *재판매 및 DB 금지

[수원=뉴시스] 박종대 기자 = 국내 연구진이 새로운 반도체 증착 공정과 소재 기술을 이용해 연산과 비메모리 기능이 통합된 차세대 지능형 비휘발성 반도체(PIM) 신소자 개발에 성공했다.

아주대학교는 서형탁 교수 연구팀은 초저전력·초고속 연산 기능과 비휘발성 메모리 기능, 학습 및 기억강화 등 인간 뇌 모방 인공지능형 특성을 구현한 ‘산화·환원 반응형 리독스 트랜지스터’를 개발했다고 26일 밝혔다.

기존의 실리콘 집적회로 공정과 호환되는 고품질 금속산화물 증착 신기술을 기반으로 개발돼 상용화 가능성이 높을 것으로 전망된다.

연구 내용은 ‘근접 산화 방식에 의한 금속산화물 리독스 트랜지스터 기반 초고속 인메모리 소자’(Ultrahigh-speed In-memory Electronics Enabled by Proximity Oxidation Evolved Metal Oxide Redox Transistor)라는 제목으로 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티어리얼스’ 5월호 권두 표지논문으로 게재됐다.

연구에는 아주대 에너지시스템학과 모히트 쿠마 교수가 제1저자, 아주대대학원 김운정·이왕곤씨가 공저자로 참여했다.

PIM은 뇌의 신경회로를 모사해 메모리와 프로세서를 통합한 신개념 반도체로 미래 반도체 핵심기술이다. 반도체 집적회로는 메모리와 프로세서가 분리돼 데이터를 처리하는 ‘폰노이만 아키텍처’ 방식을 이용한다.

아주대 연구팀은 이산화티타늄(TiO2)에 주목했다.

이산화티타늄은 차세대 비메모리 후보군인 저항성 메모리(RAM)의 채널 소재다. 가격이 저렴하고 공정이 쉽다. 게다가 박막화가 용이한 특성을 지니기 때문에 활발히 연구됐다.

아주대학교 선구자상 *재판매 및 DB 금지

하지만 메모리 특성 발현을 위한 결정화와 조성 및 결함을 위한 정밀한 제어 과정에서 미세 결정립 배향 불균일성과 조성 불균일성, 박막 표면 거칠기 악화로 인해 나노스케일에서 소자 동작 신뢰성이 크게 저하돼 메모리 상용화에 실패했다.

연구팀은 ‘근접 증착 공정’이라는 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 결정 성장 시 균일하면서도 결정 방향이 횡으로 완벽히 정렬된 이산화티타늄 반도체 박막을 약 6㎚(1㎚=109분의 1m) 채널 두께에서 달성하고 3극 트랜지스터 소자와 연산이 가능한 논리 연산 게이트를 개발했다.

개발된 트랜지스터는 40나노초에서 쓰기 및 읽기 동작이 가능하고, 온·오프의 비율은 105 이상이다. 스위칭 반복성은 108회, 비휘발성(데이터 저장시간)은 10년으로 현 플래시 메모리 성능을 능가하는 것으로 나타났다.

NOT·AND·OR 등 연산 기능을 다치 레벨로 구현해 PIM의 필수 특성을 모두 확인했다. 데이터 쓰기 과정에서 펄스 스위칭 에너지는 0.147펨토줄로 인간 뇌의 뉴론 스파이크보다 낮은 펄스 에너지로 비휘발성 정보의 강화 및 약화 등 인공지능기능을 최저 전력 수준에서 달성했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 주관하는 기본·중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다. PIM인공지능반도체 핵심기술개발 사업 수행을 통해 후속 고도화를 연구 중이다. 

서 교수는 “기존에 널리 연구됐지만 상용화되지 못한 소재를 혁신적인 공정기술을 활용해 초고속·초저전력으로 기존 집적회로에 통합 가능한 비휘발성 PIM 소자를 개발한 것에 큰 의미가 있다”며 “다른 연구자들과 협업해 상용화를 목표로 후속 연구를 진행할 예정”이라고 말했다.


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