“전력소모 76%↓내구성 110%↑”…차세대 AI 상변화 메모리 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 열 확산을 막아 전력 소모를 크게 줄이고 하나의 셀에 여러 정보를 안정적으로 저장하는 차세대 상변화 메모리 기술 개발에 성공했다.

한국연구재단은 고려대학교 김태근 교수 연구팀이 서로 다른 특성을 지닌 두 종류의 소재를 결합해 메모리 내부의 열 확산과 상변화 영역을 단계적으로 조절하는 이중 격리 상변화 이종구조 메모리를 구현했다고 11일 밝혔다.

최근 생성형 인공지능(AI), 대규모 언어모델 등 데이터 처리량이 급격히 증가하면서 빠른 동작 속도와 낮은 전력 소모, 높은 저장밀도를 동시에 갖춘 차세대 메모리 기술의 중요성이 커지고 있다.

하지만 기존 상변화 메모리는 데이터를 기록할 때 발생하는 열이 주변으로 번져 에너지가 낭비되고 영역 제어가 어렵다는 한계가 있었다.

특히 동작 전압을 낮추는 소재는 열에 약하고, 열에 강한 소재는 높은 전압을 요구하는 까다로운 상충관계가 존재했다.

연구팀은 구동 시에 상변화가 되지 않고 결정 상태로 유지가 가능한 두 종류의 전이금속 칼코겐화합물인 NiTe2와 MoTe2을 함께 배치하는 새로운 구조를 도입했다.

NiTe2는 낮은 전압에서도 열을 효율적으로 발생시키고 전달하는 열 전도층 역할을, MoTe2는 열이 확산되는 것을 억제하는 열 차단층 역할을 수행한다.

이를 통해 메모리 내부의 열 이동 경로를 설계하여 상변화가 발생하는 위치와 범위를 정밀하게 제어할 수 있도록 했다.

연구팀은 전기적 특성 분석과 열 시뮬레이션, 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM), X선 회절(XRD) 분석 등을 통해 제안한 구조의 동작 원리를 검증했다. 그 결과 메모리 내부의 열 이동 경로를 원하는 대로 설계할 수 있게 되었으며, 기존 대비 동작 에너지를 76% 아끼고 내구성을 110% 높이는 데 성공했다.

이번 연구는 기존처럼 하나의 소재 특성을 개선하는 방식에서 벗어나, NiTe2의 높은 전도성과 MoTe2의 높은 열적 안정성을 하나의 소자 안에서 결합해 열의 흐름 자체를 설계했다는 점에서 의미가 크다.

김태근 교수는 “실제 반도체 공정 수준으로 소자를 더욱 미세화하고, 대규모 메모리 배열에서도 각 셀이 균일하게 동작하도록 공정 안정성을 확보하는 것이 중요하다”면서 “고집적 AI 메모리, 뉴로모픽 컴퓨팅, 인메모리 컴퓨팅 등 차세대 반도체 시스템의 핵심 메모리 기술로 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연구팀은 향후 반복적인 동작과 장시간 사용 환경에서도 다중저항 상태가 안정적으로 유지되는지 검증하고, 기존 반도체 제조공정과의 호환성을 확보하는 후속 연구를 진행할 계획이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대 지능형 반도체 기술개발 사업 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘인터내셔널 저널 오브 익스트림 매뉴팩처링’에 게재됐다.