KAIST 연구팀, 기존보다 전력소모 1만배 낮은 플래시 메모리 개발

차세대 낸드 플래시 메모리 개발에 있어 핵심 역할

[아이뉴스24 정종오 기자] 음의 값을 갖는 축전기를 개발해 플래시 메모리에 적용한 저전력 고성능 NC 플래시 메모리를 개발할 수 있는 길이 열렸다. 기존보다 1만배 전력소모가 낮은 플래시 메모리를 만들 수 있다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 전기및전자공학부 전상훈 교수 연구팀이 `음의 정전용량 효과(Negative Capacitance Effect, NC 효과)'를 활용해 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 뛰어넘는 음의 정전용량 플래시 메모리 (NC-Flash Memory)를 18일 개발했다고 발표했다.

‘음의 정전용량 효과’란 인가되는 전압이 증가하면 전하량이 감소함을 의미한다. 음의 정전용량 특성을 가지는 유전체를 사용할 때 트랜지스터에 인가되는 전압을 내부적으로 증폭, 상대적으로 낮은 동작전압을 사용할 수 있어 파워소모를 줄일 수 있다.

고성능 저전력의 음의 정전용량 플래시 기반 인메모리 컴퓨팅을 이용한 뉴로모픽 시스템 구현. [사진=KAIST]

현대 전자 소자에서 축전기(Capacitor)는 매우 중요한 구성 요소의 하나이다. 전자 소자가 소형화되고 수직 방향으로 적층되면서 축전기에 저장되는 전하량(Charge, Q)이 감소하는 문제가 생긴다. 높은 정전용량(Capacitance, C)을 가진 유전체 물질이 필수적으로 요구되고 있다.

여기에 일반적 축전기와 다르게 정전용량이 음의 값을 갖는(Negative Capacitance) 축전기를 활용한다면 다층의 축전기의 전체 정전용량을 오히려 더 증가시킬 수 있다. 차세대 소자에 적합한 높은 정전용량 소자 개발 난제를 해결할 수 있을 것이라는 가설이 제안됐다.

최근 메모리 공급업체들은 데이터의 폭발적 증가와 더 높은 용량의 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 더 빠른 액세스 시간에 대한 요구로 인해 기술 경쟁을 치열하게 하고 있다. 스토리지의 핵심 기술인 3D 낸드 플래시는 지속적으로 더 높은 층을 적층할 수 있는 기술을 요구하고 있고, 2028년에는 1천단 이상의 메모리 적층이 필요할 것으로 예상되고 있다.

한편, 강유전체(전기적으로는 절연체이지만 자연상태에서 외부 전기장이 없어도 전기 편극을 지닐 수 있는 특이한 물리적 성질을 가진 물질) 물질에서 보이는 `음의 정전용량 효과(NC 효과)'은 전자 소자에 인가된 외부 전압을 내부적으로 증폭해 전력 소모를 줄이는 특성이 있다.

전상훈 교수 연구팀은 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 극복하고 동작전압을 낮추기 위해 반도체 공정에 사용되는 하프늄옥사이드(HfO2) 강유전체 박막의 NC 효과를 안정화해 저전압 구동이 가능한 강유전체 소재의 NC-플래시 메모리를 세계 최초로 개발했다.

개발된 NC-플래시 메모리는 기존 플래시 메모리 대비 전력 소모가 1만배 이상 낮은 저전력 고성능 특성을 달성했다.

연구팀은 새롭게 지향하는 인메모리 컴퓨팅을 NC-플래시 메모리를 기반으로 구현해 세계 최고 수준의 에너지 효율 또한 달성했다.

이번 연구 결과는 빠른 스토리지를 필요로 하는 최신 컴퓨팅과 네트워킹의 요구를 충족하는 차세대 낸드 플래시 메모리 개발에 있어 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.

KAIST 전기및전자공학부 김태호 박사과정과 김기욱 박사과정이 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구(논문명 : The Opportunity of Negative Capacitance Behavior in Flash Memory for High-Density and Energy-Efficient In-Memory Computing Applications)는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2022년 12월호에 출판됐다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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