AI 반도체 최대 적 ‘발열’ 잡았다… 소비전력 76% 줄인 차세대 메모리 등장

고려대 김태근 교수팀, 서로 다른 특성의 전이금속 칼코겐화합물(NiTe₂·MoTe₂) 결합
메모리 내부 열 이동 경로 정밀 설계해 동작 에너지 76% 절감·내구성 110% 향상

이중 격리 상변화 이종구조(DC-PCH)의 소자 구조 및 열 제어 원리. 사진=한국연구재단 제공

[충청투데이 조정민 기자] 전세계적으로 생성형 AI와 대규모 언어모델 사용이 급증하면서 데이터센터에서 사용하는 메모리와 반도체의 발열과 전력소모 문제가 시급한 해결 과제다.

국내 연구진이 이 문제 해결을 위해 메모리 내부 열 흐름 자체를 설계해 전력 소비를 획기적으로 줄인 차세대 상변화 메모리 기술을 개발해 주목을 받는다.

11일 한국연구재단에 따르면 고려대 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 서로 다른 물성을 지닌 두 종류 전이금속 칼코겐화합물을 결합해 메모리 내부 열 확산과 상변화 영역을 단계적으로 조절하는 이중 격리 상변화 이종구조 메모리를 구현했다.

상변화 메모리(PCRAM)는 물질의 결정 상태와 비정질 상태 사이 전기저항 차이를 이용해 동작하고 정보를 저장한다.

기존 메모리와 비교해 동작 속도가 빠르고 단일 셀에 여러 정보를 저장할 수 있어 차세대 AI 반도체와 인메모리 컴퓨팅의 핵심 후보로 꼽혀 왔다.

그러나 데이터를 기록하는 과정에서 발생하는 높은 열이 주변으로 퍼져 에너지가 낭비되고 구조적 내구성이 떨어진다는 단점이 있다.

동작 전압을 낮추는 소재는 열에 약하고, 열적 안정성이 높은 소재는 높은 구동 전압을 요구하는 상충관계 역시 기술적 걸림돌이었다.

연구팀은 상변화가 일어나지 않고 결정 상태를 유지하는 두 소재인 NiTe₂와 MoTe₂를 하나의 소자 내에 교대로 배치하는 방식으로 열 제어망을 구축했다.

높은 전기전도성을 지닌 NiTe₂는 낮은 전압에서도 열을 효율적으로 발생하는 전도층 역할을 하고, 높은 응집에너지로 고온에서도 안정적인 MoTe₂는 열 확산을 가로막는 열 차단층으로 활용했다.

단계적 열 확산에 따른 다중저항 형성 메커니즘 . 사진=한국연구재단 제공

실험 결과 메모리 내부 열 이동 경로가 설계한 대로 통제돼 기존 상변화 이종구조 대비 동작 에너지를 76%나 절감하는 성과를 거뒀다.

동시에 반도체 소자의 내구성은 110% 가량 크게 향상되는 결과로 이어졌다.

이 기술은 단일 셀 내부에서 열 확산 범위를 단계적으로 넓어져 SET 상태 외에도 RESET-1, RESET-2 등 세 가지의 안정적인 저항 상태를 구현하는 데 성공했다.

하나의 메모리 셀에 복수 정보를 안정적으로 저장하는 다중상태 메모리 구현이 현실화된 셈이다.

김태근 교수는 "단순한 소재 개량에서 벗어나 메모리 내부의 열 흐름을 직접 설계하는 새로운 접근법을 제시했다"며 "저전력 동작과 높은 신뢰성을 동시에 갖춘 만큼 고집적 AI 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 등 차세대 시스템 반도체의 핵심 기술로 활용될 것"이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대 지능형 반도체 기술개발 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 인터내셔널 저널 오브 익스트림 매뉴팩처링에 게재됐다.

조정민 기자 jeongmin@cctoday.co.kr