안승언 한국공대 교수팀, 강유전체 기반 PIM 소자 개발

[시흥=뉴시스] 안승언 한국공대 나노반도체공학과 교수

[시흥=뉴시스] 박석희 기자 = 경기 시흥시 한국공학대학교는 안승언 교수(나노 반도체공학과) 연구팀이 차세대 지능형 반도체에 활용할 수 있는 로직 연산과 메모리 기능이 통합된 강유전체 기반의 프로세스-인-메모리(PIM) 소자 개발에 성공했다고 12일 전했다.

강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종으로, 외부의 전기장 없이도 전기적 분극을 가질 수 있으며 외부 전기장에 의하여 분극 방향이 바뀔 수 있는 재료다.

이 연구 결과는 전자 소자 및 재료과학 분야 학술지 ‘어드밴스드 일렉트로닉 머티어리얼스’에 최근 표지 논문(Exploring Multi-Bit Logic In-Memory with Memristive HfO2-Based Ferroelectric Tunnel Junctions)으로 선정됐다.

빅데이터를 기반으로 하는 인공지능(AI) 기술의 발전이 가속화되면서 기존의 메모리와 프로세서가 분리되어 데이터를 처리하는 ‘폰노이만(Von Neumann)’ 컴퓨팅 시스템 구조의 데이터처리 속도에 한계가 나타나고 있다.

저전력, 멀티레벨 스위칭, 고속 동작이 가능한 프로세서와 메모리가 통합된 신개념의 반도체 소자의 개발 필요성이 대두되는 상황이다.

연구팀은 최근 학계와 산업계의 큰 관심을 받는 하프늄-지르코늄 산화물을 기반으로 강유전체 터널 접합(FTJ) 형태의 멤 리지스터(메모리+레지스터)를 구현하여 멀티 레벨 스위칭 구현 및 신뢰성을 확보했다.

이어 중간 레벨(inter-state) 간 스위칭을 구동하는 데 최초로 성공했다. 나아가 소자의 스위칭 특성을 조합하여 NAND, NOR, OR 등 16가지의 논리 연산 기능을 카르노 맵을 통해 제시하여 PIM 응용 가능성을 검증하였다.

안 교수는 "최근 새로운 개념의 컴퓨팅 시스템 구현을 위해 다양한 PIM 소자의 연구 결과가 발표되고 있으나, 비휘발성 멀티레벨의 신뢰성 및 중간 레벨 간 스위칭 구동 연구가 여전히 초기 단계에 머물러 있는 상황"이라고 했다.

이어 "이번 연구의 진일보한 결과는 차세대 지능형 반도체 분야의 기술적, 학문적 도약에 크게 기여를 할 것으로 기대한다"고 덧붙였다.

한편 박사과정의 고원우(제1 저자), 황현주(공저자) 학생이 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업과 산업통상자원부가 지원하는 미래 반도체 개발사업의 지원으로 수행됐다.

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