KAIST, 저비용-초저전력 상변화 메모리 소자 개발

대용량 메모리제품, 뉴로모픽 컴퓨팅시스템 등 적용 기대

국내 연구진이 초저전력으로 동작하는 상변화 메모리 소자를 개발했다.

KAIST는 전기및전자공학부 최신현 교수팀이 디램(DRAM)과 낸드(NAND)플래시 메모리를 대체할 수 있는 초저전력 차세대 상변화 메모리 소자를 개발했다고 4일 밝혔다.

상변화 메모리는 열로 물질 상태를 비정질 또는 결정질로 변화시켜 저항상태를 변경함으로써 정보를 저장하거나 처리하기 때문에 전원이 차단돼도 사라지지 않는 비휘발성 메모리다.

그러나 기존 상변화 메모리는 값비싼 초미세 반도체 노광공정으로 제작하고, 소모 전력도 높은 것이 문제로 꼽힌다.

이에 연구팀은 상변화 물질을 전기적으로 극소 형성해 제작한 초저전력 상변화 메모리 소자로 값비싼 노광공정 없이도 나노미터 스케일의 상변화 필라멘트를 자체적으로 형성하는 데 성공했다. 이를 적용하면 제작비용은 매우 낮으면서 초저전력 동작이 가능하다.

초저전력 상변화 메모리 소자 개념도. KAIST

현재 널리 사용하는 디램(DRAM)은 속도는 빠르지만 전원이 꺼지면 정보가 사라지는 휘발성이다. 또 저장장치인 낸드플래시 메모리는 읽기와 쓰기 속도는 상대적으로 느린 대신 전원이 꺼져도 정보를 보존하는 비휘발성이다. 

이에 반해 상변화 메모리는 디램과 낸드플래시 메모리의 장점을 모두 가진 차세대 메모리로, 빠른 속도와 비휘발성 특성을 동시에 지닌다. 

때문에 상변화 메모리는 차세대 메모리로 각광받으며, 특히 인간 뇌를 모방하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술 적용에 활발히 연구되고 있다.

그러나 기존 상변화 메모리는 소비전력이 매우 높아서 실용적인 대용량 메모리제품이나 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현하는데 어려움이 있다. 

그래서 기존 연구는 메모리 동작을 위한 발열효과를 높이기 위해 초미세 반도체 노광공정을 이용, 소자의 물리적 크기를 줄여 소비전력을 낮추는 연구가 진행됐다.

그럼에도 소비전력 개선폭이 적고 공정 비용과 난이도가 증가해 실용적 측면에서 한계점이 존재했다.

연구팀은 상변화 메모리의 소비전력 문제를 해결하기 위해 상변화 물질을 전기적으로 극소 형성하는 방식으로 기존의 값비싼 초미세 노광공정을 이용한 상변화 메모리 소자의 1/15 수준인 초저전력 상변화 메모리 소자 구현에 성공했다. 

최 교수는 “이번에 개발한 초저전력 상변화 메모리 소자는 기존 연구와 완전히 다른 방식을 적용해 그동안 풀지 못하였던 제조비용과 에너지 효율 문제를 대폭 개선했다”며 “물질 선택이 자유로워 고집적 3차원 수직 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅시스템 등 다양한 응용을 가능케 해 미래 전자공학의 기반이 될 것”이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 전기및전자공학부 박시온 석박사통합과정, 홍석만 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 저명 국제학술지 `네이처' 4월호에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com