차세대 AI 메모리 소자의 숨겨진 메커니즘

인공지능(AI)이 계속 발전함에 따라, POSTECH(포항공과대학교)의 연구진은 AI 기술을 더 빠르고 효율적으로 만들 수 있는 획기적인 기술을 발견했습니다.

포스텍 신소재공학과 및 반도체공학과의 김세영 교수와 곽현정 박사는 IBM TJ 왓슨 연구센터의 오키 구나완 박사와 공동으로 차세대 인공지능(AI) 기술로 주목받는 전기화학 랜덤 액세스 메모리(ECRAM)의 숨겨진 작동 메커니즘을 최초로 밝혀냈습니다. 이 획기적인 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 게재되었습니다.

AI 기술이 발전함에 따라 데이터 처리 요구는 기하급수적으로 증가했습니다. 그러나 현재의 컴퓨팅 시스템은 데이터 저장 장치('메모리')와 데이터 처리 장치('프로세서')를 분리하여, 두 장치 간의 데이터 전송으로 인해 상당한 시간과 에너지가 소모됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 '인메모리 컴퓨팅'이라는 개념을 개발했습니다.

'인메모리 컴퓨팅'은 메모리 내에서 직접 계산을 가능하게 하여 데이터 이동을 없애고 더 빠르고 효율적인 작업을 가능하게 합니다. ECRAM은 이 개념을 구현하는 데 중요한 기술입니다. ECRAM 소자는 이온 운동을 이용하여 정보를 저장하고 처리하므로 연속적인 아날로그 데이터 저장이 가능합니다. 그러나 ECRAM의 복잡한 구조와 고저항 산화물 소재를 이해하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있어 상용화를 크게 저해하고 있습니다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 산화텅스텐을 이용한 다단자 구조의 ECRAM 소자를 개발하고, '병렬 다이폴 라인 홀 시스템(Parallel Dipole Line Hall System)'을 적용하여 초저온(-223°C, 50K)부터 상온(300K)까지 내부 전자 동역학을 관찰할 수 있도록 했습니다. 연구팀은 ECRAM 내부의 산소 결손이 얕은 도너 상태(~0.1 eV)를 생성하여 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 '지름길'을 효과적으로 형성한다는 것을 최초로 관찰했습니다.

ECRAM은 단순히 전자의 양을 증가시키는 것이 아니라, 본질적으로 전자 이동을 촉진하는 환경을 조성합니다. 중요한 것은 이 메커니즘이 극저온에서도 안정적으로 유지되어 ECRAM 소자의 견고성과 내구성을 입증한다는 것입니다.

포스텍 김세영 교수는 "이번 연구는 다양한 온도 조건에서 ECRAM의 스위칭 메커니즘을 실험적으로 규명했다는 점에서 의의가 있다"며, "이 기술이 상용화되면 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 다양한 기기의 AI 성능 향상과 배터리 수명 연장으로 이어질 수 있을 것"이라고 강조했습니다.

본 연구는 한국산업통상자원부(MOTIE)의 지원을 받아 수행되는 K-CHIPS(한국반도체미래협력연구단)의 지원을 받아 수행되었습니다.

참고사항:

1. ECRAM(Electrochemical Random-Access Memory): 채널 내 이온 농도에 따라 채널 전도도가 변하는 전기화학 메모리 소자입니다. 이러한 특성 덕분에 아날로그 메모리 상태를 표현할 수 있습니다. 이 소자는 소스, 드레인, 게이트로 구성된 3단자 구조를 가지고 있습니다. 게이트에 전압을 인가하면 이온의 이동이 제어되고, 채널 전도도는 소스와 드레인을 통해 읽혀집니다.

2. 병렬 쌍극자 라인 홀 시스템(PDL Hall System): 두 개의 원통형 쌍극자 자석으로 구성된 홀 측정 시스템입니다. 한 자석이 회전하면 다른 자석도 자동으로 회전하여 강력한 중첩 자기장을 생성합니다. 이러한 구성은 내부 전자의 거동을 관찰하는 데 있어 향상된 감도를 제공합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250425113759.htm