[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김상현 교수팀이 모놀리식 3차원 집적의 장점을 활용해 기존 양자 컴퓨팅 시스템의 대규모 큐비트 구현 한계를 극복하는 3차원 집적된 화합물 반도체 해독 소자 집적 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
양자컴퓨터는 큐비트 하나에 0과 1을 동시에 담아 여러 연산을 한 번에 처리할 수 있는 차세대 컴퓨터로 최근에 IBM과 구글 등의 글로벌 기업이 양자 컴퓨터 제작에 성공했다.
기존 컴퓨터의 정보 단위인 ‘비트’의 경우 1 비트당 1개의 값만 가지는 것에 반해 양자 컴퓨터의 정보 단위인 ‘큐비트’는 1 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가진다.
이로 인해 비트에 비해 큐비트는 2배 빠른 계산이 가능하고 2큐비트, 4큐비트, 8큐비트로 큐비트 수가 선형적으로 커질수록 처리 계산 속도는 4배, 8배, 16배로 지수적으로 증가한다.
최근 IBM에서는 큐비트 수를 127개로 늘린 ‘이글’을 작년에 발표했고 IBM 로드맵에 따르면 오는 2025년까지 4,000큐비트, 10년 이내에 10,000큐비트 이상을 탑재한 대규모 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있다.
특히 큐비트의 수가 많은 대규모 양자컴퓨터 개발을 위해서는 큐비트를 제어(해독)하는 소자에 대한 개발이 필수적이며 기존 컴퓨터와 다른 양자컴퓨터는 통상 –273도 내외의 극저온에서 동작하는 큐비트 하나당 최소 하나의 제어와 해독 연결이 필요하다.
현재는 큐비트 수가 많지 않아 극저온에서 동작하는 큐비트와 상온의 측정 장비를 긴 동축케이블로 연결해 제어(해독)하는 방식을 사용하고 있다.
하지만 수천 혹은 수만 개 이상의 큐비트를 활용하는 대규모 양자 컴퓨팅에서 이러한 방식을 활용하면 양자 컴퓨터 크기가 매우 커지고 긴 연결 거리로 인해 신호 손실도 커 대규모 양자컴퓨터 구현이 매우 어려워진다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 큐비트 회로 위에 저전력, 저잡음 초고속 특성이 매우 뛰어난 III-V 화합물 반도체 고전자 이동 트랜지스터(HEMT, High-Electron Mobility Transistor)를 3차원으로 집적해 수천 혹은 수만 개의 큐비트에 아주 짧은 거리에서 일대일로 연결 가능한 구조를 제시했다.
III-V 화합물 반도체는 주기율표 III족 원소와 V족 원소가 화합물을 이루고 있는 반도체로 전하 수송 특성 및 광 특성이 매우 우수한 소재이다.
그동안 연구팀은 ‘모놀리식 3차원 집적 초고속 소자’ 연구 (2021년 VLSI 발표, 2021년 IEDM 발표, 2022년 ACS Nano 게재)를 활발하게 진행해 왔다.
모놀리식 3차원 집적은 반도체 하부 소자 공정 후, 상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 기술로 궁극적 3차원 반도체 집적 기술로 불린다.
연구과정을 보면 250도 이하에서 상부 제어/해독 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용했다.
이러한 저온 공정의 도입으로 이후 하부 큐비트 회로와의 적층에서 상부 소자 적층 및 제작 후에도 하부 큐비트 회로의 특성 열화 없이 성능을 그대로 유지할 수 있게 했다.
또 III-V 소자의 초저전력 및 저잡음 특성을 위해서 얇은 장벽(barrier) 층을 도입했고 그 결과 매우 낮은 전력에서 높은 트랜스컨덕턴스(transconductance) 특성을 확보해 제어(판독) 소자에서 세계 최고 차단주파수 특성을 획득했다.
이 연구결과에 의하면 모놀리식 3차원 집적 기술을 활용해 큐비트 회로 위에 3차원으로 제어(해독) 특성이 매우 우수한 III-V 소자 제작 기술을 개발했다.
카이스트 김상현 교수는 “이번 기술은 향후 대규모 양자컴퓨터의 제어/판독 회로에 응용이 가능할 것으로 생각한다”라며 “모놀리식 3차원 초고속 소자의 경우 양자컴퓨터뿐만이 아니라 6G 무선통신 등 다양한 분야에서 응용할 수 있어 그 확장성이 매우 큰 기술이며 앞으로도 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”고 말했다.
KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀의 정재용 박사과정이 제1저자로 주도하고 한국나노기술원 김종민 박사, 한국기초과학지원연구원 박승영 박사 연구팀과의 협업으로 진행한 연구는 반도체 올림픽이라 불리는 ‘VLSI 기술 심포지엄(Symposium on VLSI Technology)’에서 발표됐다.
이 연구는 한국연구재단 지능형반도체기술개발사업, 경기도 시스템반도체 국산화 연구지원 사업, 한국기초과학지원연구원 분석과학연구장비개발사업(BIG사업) 등의 지원을 받아 수행됐다.