인하대학교는 이문상·함명관 신소재공학과 교수 연구팀이 2차원 나노 소재인 텔루렌(Tellurene)을 활용해 뉴로모픽 시냅스 기능과 디지털 논리 연산 기능을 단일 소자에서 동시 구현한 초저전력 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다.
인하대 이문상·함명관 교수팀은 동국대, 숙명여대와 공동 연구팀을 꾸려 기억하고 학습하는 뉴로모픽 컴퓨팅과 빠른 논리 연산을 수행하는 인메모리 컴퓨팅을 하나의 반도체 소자에서 동시에 구현하는 데 성공했다. 이는 기존 컴퓨터 구조의 한계였던 ‘폰 노이만 병목 현상’을 극복하고, 차세대 인공지능 칩의 핵심 기술로 떠오르는 융합 아키텍처 구현 가능성을 입증했다는 점에서 학계의 이목을 집중시켰다.
이번 연구의 핵심은 뉴로모픽과 인메모리 컴퓨팅이라는 상이한 기능적 패러다임을 물리적 단일 소자에서 융합했다는 점이다. 뉴로모픽 컴퓨팅은 생물학적 뇌 신경망을 모사해 병렬 처리, 적응 학습, 저전력 동작 등에서 강점을 보이는 차세대 컴퓨팅 방식이다.
반면 논리 연산 기반의 인메모리 컴퓨팅은 메모리 내에서 AND, OR, NOT 등의 디지털 연산을 수행해 데이터 이동을 최소화하고 연산 속도와 에너지 효율을 높이는 데 중점을 둔다. 연구팀은 반도체 재료인 텔루린 위에 머리카락 두께의 수만 분의 1 밖에 안 되는 알루미나(Al₂O₃)막을 ‘원자층 증착(ALD)’ 방식으로 겹겹이 쌓는 원자층 증착 기술을 적용했다.
전자들이 차지하고 있는 에너지 분포의 기준선인 페르미 준위를 미세하게 조정해, 반도체 안에서 자유롭게 움직이는 전자의 양을 최적화함으로써 하나의 트랜지스터가 p형과 n형 사이를 자유롭게 전환할 수 있는 앰비폴라 특성을 구현했다.
앰비폴라 특성의 구현은 가중치 조절, 단기·장기 기억 등 생물학적 시냅스 특성을 모사하면서 효율 좋은 반도체 회로 기술인 CMOS 인버터와 다양한 논리 게이트 회로도 단일 트랜지스터 구조로 작동하도록 설계할 수 있었다.
연구진은 장·단기 가소성과 시냅스 가중치 조절 등 뉴로모픽 소자의 핵심 기능뿐 아니라 CMOS 호환 인버터와 NAND, NOR, XOR 등 논리 회로 동작을 구현할 수 있는 디지털 인메모리 기능까지 단일 소자 구조 내에서 동시에 실현해 두 기술의 융합 가능성을 입증했다.
이번 연구 성과는 나노 분야의 세계적인 학술지인 영국왕립화학회지 ‘Nanoscale horizons’ 온라인판에 최근 게재됐다. 제 1저자는 인하대 신소재공학과 석사과정인 허지훈, 유보림 학생으로 김유나 석사과정 학생이 공동연구를 진행했다. 공동교신저자로는 이문상, 함명관 교수, 동국대학교 김언정 교수와 숙명여대 주민규 교수가 참여했다.
이문상 인하대 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 단일 재료와 공정으로 뉴로모픽, 논리 회로라는 두 축을 동시에 구현해 미래 AI 반도체 설계의 핵심 블록을 제시한 것”이라며 “공간 절약, 전력 절감, 회로 재구성이 자유로운 차세대 컴퓨팅 아키텍처의 초석이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
헬로티 이창현 기자 |
