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KAIST, 기존 반도체보다 1만분의 1 저전력 고성능 갖춘 플래시 메모리 개발

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KAIST, 기존 반도체보다 1만분의 1 저전력 고성능 갖춘 플래시 메모리 개발

'음의 정전용량 효과' 활용…전자 소자 물리적 성능 한계 극복

플래시 메모리 구조도 및 일반적인 플래시 메모리 대비 음의 정전용량 플래시 메모리의 내부 전압 증폭 현상 비교. 사진=KAIST이미지 확대보기
플래시 메모리 구조도 및 일반적인 플래시 메모리 대비 음의 정전용량 플래시 메모리의 내부 전압 증폭 현상 비교. 사진=KAIST
기존 플래시 메모리 대비 1만분의 1로 낮은 저전력 고성능을 가진 플래시 메모리를 국내 연구진이 개발했다.

KAIST는 전상훈 전기및전자공학부 교수 연구팀이 '음의 정전용량(NC) 효과'를 활용해 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 뛰어넘는 NC 플래시 메모리를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.

음의 정전용량 효과(Negative Capacitance Effect)는 인가되는 전압이 증가하면 전하량이 감소함을 의미한다. 이 특성을 가지는 유전체를 사용하면 트랜지스터에 인가되는 전압을 내부적으로 증폭해 상대적으로 낮은 동작전압을 사용할 수 있어 전력 소모를 줄일 수 있다.

김태호, 김기욱 박사과정이 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈' 2022년 12월호에 출판됐다.
최근 메모리 공급업체들은 데이터의 폭발적 증가와 더 높은 용량의 SSD와 더 빠른 액세스 시간에 대한 요구로 인해 기술 경쟁을 치열하게 하고 있다. 스토리지의 핵심 기술인 3D 낸드 플래시는 지속적으로 더 높은 층을 적층할 수 있는 기술을 요구하고 있고 2028년에는 1000단 이상의 메모리 적층이 필요할 것으로 예상된다.

강유전체 물질에서 보이는 'NC 효과'는 전자 소자에 인가된 외부 전압을 내부적으로 증폭해 전력 소모를 줄이는 특성이 있어, 전자 소자의 물리적 성능 한계를 극복할 수 있다는 가능성이 제시됐다. 강유전체는 전기적으로는 절연체지만, 자연 상태에서 외부 전기장이 없어도 전기 편극을 지닐 수 있는 특이한 물리적 성질을 가진 물질이다.

페로브스카이트 강유전체에서 NC 효과를 실험적으로 관찰했으나, 페로브스카이트 강유전체의 소형화 한계 및 CMOS 공정과의 부적합성으로 인해 NC 효과를 활용한 전자 소자의 구현에 대해 상당한 회의론을 불러일으켰다.

전상훈 교수 연구팀은 기존 플래시 메모리의 물리적 성능 한계를 극복하고 동작전압을 낮추기 위해, 반도체 공정에 사용되는 하프늄옥사이드(HfO2) 강유전체 박막의 NC 효과를 안정화해 저전압 구동이 가능한 강유전체 소재의 NC-플래시 메모리를 세계 최초로 개발했다. 개발된 NC-플래시 메모리는 기존 플래시 메모리 대비 전력 소모가 1만분의 1로 낮은 저전력 고성능 특성을 달성했다.

연구팀은 이 밖에 기존 컴퓨팅 구조인 폰노이만 아키텍처를 대체해 새롭게 지향하는 인메모리 컴퓨팅을 NC-플래시 메모리를 기반으로 구현해 세계 최고 수준의 에너지 효율을 달성했다. 이번 연구 결과는 빠른 스토리지를 필요로 하는 최신 컴퓨팅과 네트워킹의 요구를 충족하는 차세대 낸드 플래시 메모리 개발에 있어 핵심 역할을 할 것이다.

한편 이번 연구는 연세대학교와 협업을 통해 이루어졌고 한국연구재단 지능형 반도체 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


여용준 글로벌이코노믹 기자 dd0930@g-enews.com