KAIST, 2진법→3진법 종횡무진하는 신개념 반도체 회로 개발

임성갑 KAIST 교수·유호천 가천대 교수 공동 연구팀
3진법 논리 동작의 신뢰도, 세계 최고 수준 60%까지 달성

연구팀이 새롭게 개발한 전자소자. 사진=KAIST 제공

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀은 가천대 전자공학부 유호천 교수연구팀과 공동 연구를 통해 데이터 처리 효율성과 집적도를 제공할 신개념 디지털 논리 회로 구현을 세계 최초로 성공했다고 11일 밝혔다.

3진법 논리 회로는 0,1, 2 세 가지 논리 상태를 사용해 정보를 표현하는 차세대 반도체 기술로 기존 0, 1의 2진법 논리 회로와 비교해 같은 정보를 더 적은 논리로 표현할 수 있다. 이를 통해 더 높은 정보 처리 효율성으로 반도체 칩의 고속화, 저전력화, 소형화가 가능하다.

그러나 세 가지 논리 신호를 모두 안정적으로 출력하기 어렵고 2진법 논리 체계가 3진법 논리 체계와 서로 호환이 되지 않아 3진법 논리 회로 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 3진법 논리 회로의 출력 특성을 회로 동작 중 실시간으로 조절할 수 있는 새로운 논리소자를 개발했다. 컴퓨터에서 필요에 따라 정보를 저장하거나 다시 지울 수 있는 장치인 플래시 메모리에 주목해 3진법 논리 회로 자체에 정보를 저장할 수 있도록 회로를 구성하는 논리소자에 플래시 메모리를 집적했다. 또 3진법 논리 회로가 저장한 정보에 따라 논리 상태 1의 출력 특성이 체계적으로 조절되는 것을 확인, 이를 통해 3진법 논리 회로의 동작 안정성(잡음 여유)을 세계 최고 수준인 약 60%까지 달성하는데 성공했다.

이와 함께 3진법 논리 회로에 저장된 정보를 완전히 지우는 경우, 논리 상태 1이 출력되지 않고 0과 2의 두 논리 상태만 출력하는 점을 이용해 2진법과 3진법 논리 동작이 모두 가능한 회로 구현에 성공했다.

연구팀이 개발한 논리소자는 동일한 반도체 칩 내에서 2진법 논리 회로와 3진법 논리 회로를 연동해 데이터 및 신호 전달을 할 수 있다. 기존 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 기대된다.

임성갑 KAIST 교수는 "기존 디지털 논리 회로와 비교해 다양한 연산이 가능하고 복잡한 연산을 훨씬 단순화할 수 있는 논리소자를 개발한 것"이라며 "이번 연구 결과는 향후 대용량 정보 처리가 필요한 인공지능, 사물인터넷 등 다양한 분야를 위한 신개념 반도체 소자에 있어 유용한 지침이 될 것으로 기대된다"고 말했다.

유호천 가천대 교수는 "이번 연구성과는 논리 소자 안에 메모리 기능을 접목해 필요에 따라 2진법 연산과 3진법 연산이 자유자재로 전환이 가능한 혁신적인 반도체 소자를 개발한 것"이라며 "기존 메모리 및 비메모리 칩 사이즈를 획기적으로 감소할 수 있는 유망한 기술이 될 것으로 기대한다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 이달 23일 '네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.