[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 최신현 교수팀이 다공성 구조를 갖는 차세대 저항 변화 소자(멤리스터)를 활용해 우리 뇌의 신경전달물질 시냅스를 모방한 고신뢰성 소자(시냅스 소자)를 개발했다고 28일 밝혔다.
멤리스터는 저전력으로 인메모리(In-memory) 컴퓨팅, 가중치 저장, 행렬 계산 능력(vector-matrix multiplication) 등으로 차세대 논-폰노이만 구조에 쓰일 수 있는 차세대 소자로 주목받고 있다.
멤리스터(Memristor)는 메모리와 레지스터의 합성으로 이전의 상태를 모두 기억하는 메모리 소자로 전원공급이 끊어졌을 때도 직전에 통과한 전류의 방향과 양을 기억한다.
그러나 현존하는 멤리스터로 실용적인 대용량 인공신경망 컴퓨팅(Large-scale neural computing) 시스템을 만들기 위해서는 멤리스터 단위 소자의 신뢰성을 확보할 수 있는 연구가 필요하다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존 양이온 저항 변화 방식과 음이온 저항 변화 방식을 혼합한 하이브리드 형태로 매개체를 구성하고 비정질로 이루어진 다공성 구조 및 버퍼 층을 이용해 고신뢰성 시냅스 소자를 설계했다.
그동안 소자의 신뢰성 저하는 전통적으로 비정질 물질 내에 무작위적으로 움직이는 결함 및 이온의 배치에서 비롯됐고 이러한 문제를 단결정 물질을 사용해 결함 및 이온의 무작위적인 움직임을 제어함으로써 소자 신뢰성 확보에 관심을 가졌다.
하지만 단결정을 이용의 경우도 고온 공정이 필요해 기존 실리콘 CMOS에 집적 및 적층이 어려워 집적도를 높이는 데 한계가 있었다.
이번 연구과정에서는 기존의 비정질 물질을 사용해 신뢰성을 확보할 수 있는 다공성 구조의 양이온 제어층과 버퍼층으로 이용되는 음이온의 제어층을 설계했다.
이를 통해 적층 및 집적 가능한 소자를 제작했고 기존 소자 대비 6배 이상 신뢰성을 개선했으며 인공 시냅스 소자로서 필요한 다른 특성들도 확보했다.
이 연구결과에 의하면 저온 공정을 통해 기존 실리콘 상보형 산화금속 반도체(CMOS)에 집적 및 적층이 가능하고 이를 통해 집적도 높은 대용량 로직/인공신경망 컴퓨팅 시스템 제작에 활발히 응용될 수 있을 것으로 보인다.
최신현 교수는 “미국, 대만 기업에서 활발히 진행 중인 차세대 신소자 기반 기술 개발이 국내에서도 활성화되기를 희망한다”며 “다른 물질계에서도 구조적으로 적용할 수 있는 방법론을 제시함으로써 활발히 연구가 진행될 것으로 생각된다”고 말했다.
KAIST 최상현 연구원과 박시온 연구원이 공동 제1저자로 참여한 연구는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 1월호 게재됐다.
이 연구는 한국연구재단, 나노종합기술원, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
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