'훨씬 빠른' 3진법 적용 차세대 반도체 소자 개발

카이스트-가천대 공동 연구팀

기존 컴퓨터는 0과 1을 사용하는 2진법 논리 회로를 사용한다. 하지만 자율 주행이나 인공지능(AI) 등 복잡한 계산이 필요한 기술이 일상화되면서 더 빠르고 더 많은 데이터를 처리할 수 있는 대안이 요구되고 있다. 국내 연구팀이 2진법이 아닌 3진법을 적용한 차세대 반도체 기술을 개발해 관심을 끌고 있다.

연구팀이 새롭게 개발한 3진법 디지털 논리회로를 적용한 차세대 반도체 모식도. 그림출처=카이스트 제공

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 임성갑 생명화학공학과 교수 연구팀이 유호천 가천대 교수 연구팀과 공동으로 더 높은 데이터 처리 효율성과 집적도를 제공할 신개념 디지털 논리 회로 구현을 세계 최초로 성공했다고 11일 밝혔다.

기존 0, 1의 두 가지 논리 상태를 사용하는 2진법 논리 회로와 비교해 3진법 논리 회로는 0, 1, 2의 세 가지 논리 상태를 사용해 정보를 표현하는 차세대 반도체 기술이다. 같은 정보를 더 적은 논리로 표현할 수 있어 더 높은 정보 처리 효율성을 통해 반도체 칩의 고속화, 저전력화, 소형화가 가능하다. 하지만 논리 상태가 1개 더 추가됨에 따라 세 가지 논리 신호를 모두 안정적으로 출력하기 어려운 문제와 2진법 논리 체계가 3진법 논리 체계와 서로 호환이 되지 않는 문제가 3진법 논리 회로 상용화에 걸림돌로 여겨졌다.

연구팀은 문제 해결을 위해 3진법 논리 회로의 출력 특성을 회로 동작 중에 실시간으로 조절할 수 있는 새로운 논리소자를 개발했다. 연구팀은 컴퓨터에서 필요에 따라 정보를 저장하거나 다시 지울 수 있는 장치인 플래시 메모리에 주목했다. 3진법 논리 회로 자체에 정보를 저장할 수 있도록 회로를 구성하는 논리소자에 플래시 메모리를 집적했다. 연구팀은 3진법 논리 회로가 저장하고 있는 정보에 따라 논리 상태 1의 출력 특성이 체계적으로 조절될 수 있음을 확인했다. 이를 통해 3진법 논리 회로의 동작 안정성(잡음 여유)을 세계 최고 수준인 약 60%까지 달성하는데 성공했다.

또 연구팀은 3진법 논리 회로에 저장된 정보를 완전히 지우는 경우에 논리 상태 `1'이 출력되지 않고 `0' 과 `2'의 두 논리 상태만 출력하는 점을 이용하여 2진법과 3진법 논리 동작이 모두 가능한 회로를 구현하는데 성공했다. 뿐만 아니라, 논리 회로를 구성하는 각각의 논리소자에 서로 다른 정보를 저장하는 방식으로 2진법과 3진법 논리 출력을 조합했다. 이에 따라 다양한 종류의 논리 출력을 갖는 논리 회로를 구현함으로써 3진법 논리 회로의 정보 처리 효율 및 집적도를 한 단계 더 향상시킬 수 있음 역시 확인했다.

연구팀이 개발한 논리소자는 동일한 반도체 칩 내에서 2진법 논리 회로와 3진법 논리 회로를 연동해 데이터 및 신호 전달을 할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 이것은 기존의 2진법 체계를 유지하면서 필요에 따라 3진법의 높은 정보 처리 능력을 탄력적으로 활용할 수 있다는 것을 의미하며, 향후 3진법 반도체의 상용화 시작 단계에 있어 핵심 기술이 될 것으로 기대가 크다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)'에 지난달 23일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr