안승언 한국공대 교수팀, 강유전체 기반 PIM 소자 개발 '눈길'

안승언 한국공대 나노반도체공학과 교수./사진제공=한국공대

한국공학대학교는 최근 안승언 나노반도체공학과 교수 연구팀이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 로직 연산과 메모리 기능이 통합된 강유전체 기반 프로세스-인-메모리(PIM) 소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종이다. 외부 전기장 없이도 전기적 분극을 가질 수 있으며, 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀐다.

빅데이터 기반 인공지능이 발전하면서 메모리와 프로세서가 분리돼 데이터를 처리하는 '폰노이만'(Von Neumann) 컴퓨팅 시스템 구조의 한계가 나타나고 있다. 이에 저전력, 멀티레벨 스위칭, 고속 동작이 가능한 프로세서와 메모리가 통합된 신개념 반도체 소자의 필요성이 대두됐다.

안승언 교수를 비롯해 고우 박사과정, 황현주 학생 등으로 구성된 한국공대 연구팀은 하프늄-지르코늄 산화물을 기반으로 강유전체 터널 접합(FTJ) 형태를 띤 멤리지스터(메모리+레지스터)를 구현했다. 멀티레벨 스위칭과 신뢰성을 확보, 중간 레벨(inter-state) 간 스위칭에 성공했다. 나아가 소자의 스위칭 특성을 조합해 16개 논리 연산 기능을 카르노 맵으로 제시하고, PIM 응용 가능성을 검증했다.

안 교수는 "새로운 개념의 컴퓨팅 시스템을 구현하기 위해 PIM 소자에 대한 다양한 연구가 진행되고 있지만 비휘발성 멀티레벨의 신뢰성 문제와 중간 레벨 간 스위칭 구동은 여전히 초기 단계를 벗어나지 못하고 있다"며 "이번 연구결과는 차세대 지능형 반도체 분야의 기술적, 학문적 도약에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 △과기부·한국연구재단 '중견연구자지원사업' △산업부 '미래반도체개발사업' 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 'Exploring Multi-Bit Logic In-Memory with Memristive HfO2-Based Ferroelectric Tunnel Junctions'라는 제목으로 전자 소자 및 재료과학 분야 국제학술지 '첨단전자재료'(Advanced Electronic Materials, IF=6.5)에 게재됐다.

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr