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‘뉴로모픽 컴퓨팅’ 신뢰성 문제 풀렸다… KAIST, 한양대와 차세대 메모리 관련 연구 진행
기존 소자가 갖는 비이상성 개선, 동작 범위 및 속도 높일 원리 규명

[인더스트리뉴스 조창현 기자] 최근 인간의 뇌를 모방해 하드웨어를 기반으로 AI 연산을 구현하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술이 주목받고 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅에 있어 단위 소자로 활용되는 전도성 변화 소자인 ‘멤리스터’는 △저전력 △고집적 △고효율 같은 장점이 있다.

KAIST 최신현 전기및전자공학부교수 연구팀이 한양대학교 연구진과 공동 연구를 통해 차세대 메모리 소자에 대한 신뢰성과 성능을 높일 수 있는 방법을 개발했다. 사진 왼쪽부터 KAIST 최신현 교수, 배종민 석사과정, 한양대학교 권초아 박사후연구원, 김상태 교수 [사진=KAIST]

다만 멤리스터가 가진 불규칙한 소자 특성으로 인해 대용량 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현하는 데 있어 신뢰성 문제가 발견되고 있다. 이에 국내 연구진은 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 상용화를 앞당길 신뢰성 향상 기술을 개발해 냈다.

KAIST(총장 이광형)는 최신현 전기및전자공학부교수 연구팀이 한양대학교 연구진과 공동 연구를 통해 차세대 메모리 소자에 대한 신뢰성과 성능을 높일 수 있는 이종원자가 이온(Aliovalent ion) 도핑 방법을 개발했다고 21일 밝혔다. 이종원자가 이온은 원래 존재하던 원자와 다른 원자가를 갖는 이온을 말한다.

불규칙한 소자 특성 변화 및 신뢰성 문제 해결

공동 연구팀은 기존 차세대 메모리 소자에 있어 가장 큰 문제인 불규칙한 소자 특성 변화 문제 개선을 위해 도핑 방식을 적용, 이종원자가 이온 관련 소자에 대한 균일성 및 성능을 향상할 수 있다는 사실을 규명했다. KAIST는 관련 연구에서 공동 연구팀이 실험과 함께 원자 수준 시뮬레이션을 활용했다고 전했다.

특히 연구팀은 불규칙한 소자가 갖는 신뢰성 문제 해결에도 나섰다. 이에 연구팀은 이종원자가 할라이드(halide) 이온을 산화물층 내에 적절히 주입하는 방법이 소자에 대한 신뢰성과 성능을 향상할 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 관련 방법으로 소자 동작에 대한 균일성과 동작 속도, 성능이 증대됨을 실험적으로 확인했다.

공동 연구팀은 원자 단위 시뮬레이션 분석을 통해 결정질과 비결정질 환경 모두에서 실험적으로 확인한 결과와 일치하는 소자 성능 개선 효과가 나타남을 알아내게 됐다. [사진=KAIST]

“뉴로모픽 컴퓨팅 상용화에 기여

아울러 연구팀은 원자 단위 시뮬레이션 분석을 통해 결정질과 비결정질 환경에서 모두 실험적으로 확인한 결과와 일치하는 소자 성능 개선 효과가 나타남을 알아내게 됐다. KAIST는 연구팀이 관련 연구 과정에서 도핑된 이종원자가 이온이 근처 산소 빈자리(oxygen vacancy)를 끌어당겨 안정적인 소자 동작을 가능하게 하고, 이온 근처 공간을 넓혀 빠른 소자 동작을 가능하게 하는 원리를 확인했다고 설명했다.

KAIST 최신현 전기및전자공학부교수는 “새롭게 개발한 이종원자가 이온 도핑 방법은 뉴로모픽 소자가 갖는 신뢰성과 성능을 획기적으로 높이는 방법”이라며, “차세대 멤리스터 기반 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 상용화에 기여할 수 있고, 밝혀낸 성능 향상 원리를 다양한 반도체 소자들에 응용할 수 있을 것이라고 말했다.

KAIST에 따르면 자교 배종민 전기및전자공학부석사과정과 한양대학교 권초아 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여한 새로운 연구는 ‘안정적이고 동적인 멤리스티브 뉴로모픽 시스템을 위한 이온가 할라이드 도핑을 통한 가변 이온 에너지 장벽 변조(Tunable ion energy barrier modulation through aliovalent halide doping for reliable and dynamic memristive neuromorphic systems)’라는 제목으로 국제 학술지에 출판됐다.

한편 최신현 교수가 이끈 새로운 연구는 한국연구재단 신소자원천기술개발사업·신재료PIM소자사업·우수신진연구사업, 나노종합기술원 반도체공정기반나노메디컬디바이스개발사업 및 국가슈퍼컴퓨팅센터 혁신지원프로그램으로부터 지원을 받아 수행됐다.

[조창현 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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