제5장 지능형반도체소재기술(3)-조병진(충북대)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(17)

제5장 지능형반도체소재기술(3)-조병진(충북대)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(17) - 뇌기능모사, 지능형 반도체 기술 인기

기사등록 2022-08-12 15:25:36
수정 2022-08-17 17:38:13

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

뇌기능모사, 지능형 반도체 기술 인기

신소재개발, 아키텍처 제안 등 특성 향상

시냅스 어레이 회로 뉴런소재 통합 응용 등

■ 자기터널접합 기반 시냅스 소자

자기터널접합(magnetic tunnel junction, MJT) 기반 시냅스 소자는 두 개의 자성층 사이에 절연층이 샌드위치 되어 있는 구조로 두 자성층은 외부 전류를 가해주면 자화 방향이 쉽게 바뀌는 free layer와 자화 방향이 고정되어 있는 fixed layer로 구성되어 있으며 자기접합터널 셀의 자화 방향이 바뀌면 관련 저항이 변화되는 특성을 이용하게 된다. 전압 스파이크가 인가되면 자기접합터널의 컨덕턴스를 변조시키고 이에 따라 PSC 전류를 생성하는 시냅스 소자의 특성을 발현시킨다.

현대의 폰 노이만(Von Neumann) 컴퓨터 기술 체계에서는 프로세서(0.1ns)의 동작 속도와 메인 메모리(10-100ns) 및 저장 메모리(0.1-10ms) 동작 속도의 상당한 격차로 인해 데이터 통신의 속도가 가장 낮은 소자에 의해서 결정되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 1-10ns 정도의 빠른 동작 속도를 구현할 수 있는 2단자 구조의 스핀 토크 소자(spin-transfer torque, STT)와 3단자 구조의 스핀 궤도 토크(spin-orbit Torque, SOT) 소자가 차세대 뉴로모픽 시냅스 소자를 위한 강력한 후보군으로 대두되고 있다.

STT-MJT 셀은 MJT 셀에 전류를 직접 인가함으로써 digit line 없이 단순한 구조를 사용하여 집적도를 향상시킬 수 있지만, 소비전력이 높고 수명이 짧은 것이 단점이다.

이러한 단점을 보완하기 위해 SOT 구조가 제안되었다. SOT 구조는 중금속 원소 기반의 스핀 홀 효과(spin hall effect)를 이용하여 자기 접합 터널에 전류를 주입하지 않고 자기 모멘트를 이용해 작동을 시키는 방식으로 ST 구조에 비해 스위칭 속도가 10배 이상 빠르고 소비전력이 낮은 것이 장점이다. 하지만 SOT 기반 소자 역시 외부 자기장이 필요한 점과 3단자 구조로 집적화가 어려운 단점이 있어 더욱 향상된 아키텍처 개발이 필요하다.

■상변화 기반 시냅스 소자

상변화 메모리(PRAM: phase-change random access memory) 소자는 물질의 결정 상태(비정질 또는 결정질)에 따라 저항이 변하는 특성을 이용하는 것으로 유지(retention) 특성이 매우 우수하다. 인가 전압에 의해 비정질 상태에서 결정질로 변하면 저 저항 상태가 되어 정보가 저장(logic state=1)되고 반대의 전압을 인가하며 다시 비정질 상태로 복구되면 고 저항 상태가 되어 저장된 정보가 지워지게 된다(logic state=0)

상변화 메모리는 전원이 없는 상태에서도 데이터가 유지되는 우수한 비휘발성 특성뿐만 아니라 기존 문제가 되었던 동작 속도가 안티몬 원소의 추가로 인해 매우 빨라지면서 그 활용도가 매우 높아졌다.

이러한 상변화를 기반으로 하는 PRAM 소자는 시냅스 소자에도 적용되어 많은 연구가 이루어지고 있다. 상변화 소자의 높은 비휘발성과 빠른 스위칭 특성은 시냅스 소자의 장기 기억 특성을 구현하는데 용이하다. 또한, 상변화 물질의 결정화 상태를 점진적으로 증가시키는 연속 펄스에서는 전도도가 누적되며 증가하는 potentiation 특성을 모방할 수 있고, 이와 반대로 비정질 영역이 증가함에 따라 전도도는 오히려 감소하는 depression 특성을 모방할 수 있게 된다.

대표적인 상변화 물질인 Ge2Sb2Te5(GST) 기반의 상변화 시냅스 소자에 대한 연구결과이다. GST 상변화 소재가 외부 set/reset 전압에 의해 비정질 또는 결정질 상태로 변화될 수 있음을 보이는 모식도이며 연속적인 펄스를 인가하였을 때 발생하는 전기전도도의 변화와 메모리 특성을 보여주고 있다.

최근에 IBM에서는 Ge2Sb2Te5(GST) 상변화 메모리 기반의 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 활용해 심층 신경망을 트레이닝하여 정확도가 매우 높은 연산 처리 시스템을 보고했으며 관련 결과는 상변화 메모리 연구에서 가장 진일보한 형태인 것으로 판단된다.

상변화 메모리 소자는 정보의 읽기와 쓰기 과정이 본질적으로 아날로그 방식이기 때문에 연산 과정에서 노이즈(noise)로 인한 정밀도가 제한되어 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로의 적용에 어려움이 있었지만, IBM 연구진은 생체 시스템에서 사용하는 저전력 처리 기법을 따르고 기존 컴퓨터 아키텍처에서 요구하는 데이터 이동의 일부를 제거함으로써 상변화 메모리의 실제적 적용 가능성을 확인시켜 주었다.

■포토시냅스 소자

광 자극에 의해 발생되는 지속적 광전류(Persistent Photocurrent)를 기반으로 작동하는 포토 시냅스 소자는 빠른 동작 속도와 높은 에너지 효율을 가지고 있어 차세대 뉴로모픽 시스템에 적용할 수 있다. 광 자극 기반의 뉴로모픽 소자는 신경망의 높은 효율성과 포토닉스의 빠른 동작 속도를 결합하여 마이크로 전자 성능을 뛰어넘는 시스템을 구축하는 것이 가능하며, 현재 디지털 표준을 능가하는 아날로그 효율성을 가진 시스템의 구축이 가능하다.

광 시냅스 소자의 구동에는 전하 포획, 상변화, 웨이브 가이드(waveguide) 적용을 통한 세 가지 접근법이 존재한다.

전하 포획 메커니즘은 광발생 충전 수송기(photogenerated charge carrier)를 산소 공공, 계면 또는 도펀트에 포획시켜 전하를 저장하는 방식이다. GST와 같은 상변화 물질에 펄스 형태의 빛이 지속적으로 조사되면 결정구조 변화로 인해 점진적인 전도도 변화를 일으키는 상변화 메커니즘 기반의 구동방식 소자도 존재한다. 마지막으로 웨이브 가이드(waveguide) 기반의 광학 소자를 활용한 시냅스 소자 또한 가변 저항을 발현시킬 수 있다.

W/n-MoS2/p-Si 구조의 멤리스터는 광 반응에 의한 potentiation과 전기적 자극에 의한 depression 특성을 보여주고 있는데 인가되는 빛 펄스의 빈도(frequency)에 따라 장/단기 기억 특성을 구현할 수 있다.

또한, ITO/Nb:SrTiO3 시냅스 광소자에서도 장/단기 potentiation과 depression 특성 평가에서 높은 민감도의 시냅스 가소성을 보여주었으며 더 나아가 학습과 재학습 과정에 의한 기억 안정성을 강화하는 특성 또한 보고하였다.

■ 뉴로모픽 응용 기술

뉴로모픽 시냅스 연구는 크게 두 그룹으로 구분할 수 있다. 하나는 새로운 소재 개발 또는 아키텍쳐 제안을 통해 시냅스 소자 특성을 향상하려는 것이며, 다른 하나는 시냅스 어레이 회로를 뉴런 소자와 통합하여 제작된 뉴로모픽 시스템을 응용하는 것이다. 최근 서울대학교와 스탠포드대학교(Stanford University) 공동 연구팀은 유기 시냅스 소자를 이용하여 생물의 촉각 신경을 모사하는 인공 감각 신경을 개발하였다.

인공 감각 신경은 피부의 촉각 수용체를 모방한 압력 센서, 생체 뉴런을 모방한 유기 링 오실레이터(Ring Oscillator), 생체 시냅스를 모방한 유기 시냅스 트랜지스터로 구성되어 있다. 연구팀은 개발된 인공 신경을 이용하여 움직이지 않던 곤충의 움직임을 제어하였으며, 시각 장애인용 점자 정보를 처리하는 용도로도 활용될 수 있음을 보여주었다.

한편 시신경을 시냅스 소자로 구현한 연구도 다수 보고되었다. 한국전자통신연구원은 기존 대비 수십 배의 연산 처리 속도를 향상시킨 인공지능 눈으로 대변되는 시각지능 칩을 개발했다. 이 칩은 가로와 세로가 약 5mm 수준임에도 불구하고 사람 수준으로 사물 인식이 가능하며 낮은 소비 전력으로 우수한 연산 효율이 가능한 것이 특징이다.

이는 시냅스 컴파일러라는 신경망 학습 방법 및 뉴런 회로 기술을 개발했기 때문이다. 페로브스카이트-전이금속 칼코겐 화합물의 이종접합에 기반한 포토 트랜지스터 구조에서는 인간의 광수용체 순응 행동을 모방하는 시냅스 특성이 보고되었다.

서울대학교와 인하대학교 공동 연구팀은 C3N4 2차원 물질을 이용하여 생체 시각 신경을 모사한 인공 시신경을 개발하였다.

자외선 대역의 빛을 강하게 흡수할 수 있는 탄화 질소 기반의 2차원 물질을 시냅스 전자 소자의 광 흡수층으로 활용하면 생체 수준의 에너지 소비량인 ~fJ 레벨로 구동이 가능하다는 것을 입증하였다. 개발된 소자는 외부 자외선을 감지하여 실시간으로 자외선 노출 정도를 제어할 수 있는 스마트 윈도우 시스템에 응용될 수 있었다.

■국내외 선도기관

뉴로모픽 소자 기술과 관련하여 국내외 선도연구기관 및 주요 연구내용은 다음의 표와 같다.