인공지능 시대를 앞당길 초절전형 반도체 논리소자 개발

홍보팀 3,050 2020-11-12

- DGIST 이명재 박사 연구팀, 2차원 반도체 소재 적용해 3진법 이상 연산 가능한 다치(多値)논리소자 개발
- 향후 인공지능 차세대 지능형반도체 개발에 활용할 것으로 기대

국내 연구진이 방대한 양의 빅데이터 처리나 인간의 두뇌를 모방한 뉴로모픽 칩¹⁾과 같은 인공지능(AI) 개발을 위한 차세대 지능형반도체 소자기술을 개발했다.

DGIST는 나노융합연구부 이명재 박사 연구팀이 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS₂)과 육방정 질화붕소(hBN)를 이용해 3진법 적용이 가능한 2차원 소재 기반의 다치(多値)논리소자를 개발했다고 12일(목) 밝혔다.

현재 대부분의 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 2진법 기반이다. 반도체나 집적회로(IC) 같은 컴퓨터산업도 2진법을 기반으로 발전해왔다. 하지만 현재에는 빅데이터 처리나 복잡한 연산을 요구하기 때문에 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다르고 있다. 이 때문에 방대한 정보량을 구현하면서 전력도 줄일 수 있는 다치논리소자 연구가 세계적으로 진행 중이다.

3진법 이상의 논리가 구현 가능한 다치논리소자는 정보를 ‘0’, ‘1’, ‘2’ 이상으로 처리할 수 있어, 2개의 숫자만 사용했던 기존의 2진법보다 처리해야 할 정보의 양이 줄어들어 소비전력이 적고 계산 속도가 빠르다. 이에 따라 대용량의 정보처리가 가능하면서 반도체 집적회로를 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다.

이에 DGIST 이명재 박사 연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐과 육방정 질화붕소를 결합해 ‘0’, ‘1’, ‘2’인 3개의 논리상태 구현이 가능한 2차원 소재를 개발했다. 연구팀은 두 개의 2차원 반도체 소재를 수직으로 층층이 쌓아올림으로써 육방정 질화붕소 층이 인접하는 이황화 텅스텐 층 간의 전자 상호작용을 크게 줄이는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이것이 2차원 반도체 소재 내의 밴드갭(band gap)²⁾을 제어하는 메커니즘임을 규명했다. 이를 통해 특정 전압 구간에서 전류량이 감소하는 부성미분저항³⁾ 특성을 가진 다치논리소자를 새롭게 개발했다.

이명재 박사는 “이번에 개발한 새로운 개념의 다치논리소자는 향후 대용량 정보 처리가 필요한 인공지능 소프트웨어를 지원하는 초절전형 소자·회로 기술의 기반이 될 것”이라며, “향후 두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형반도체 소자 기술의 적용이 기대된다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 김영욱 교수 연구팀과 공동으로 진행했으며, 나노과학 분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 11월 3일자 온라인 게재됐다. 아울러 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 ‘미래반도체 신소자원천기술개발사업’으로 수행됐다.

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¹⁾ 뉴로모픽 칩(neuromorphic chip) : 사람의 뇌 신경을 모방한 차세대 반도체. 딥러닝 등 인공지능 기능을 구현할 수 있다.

²⁾ 밴드갭(band gap) : 전도대 맨 아래 부분의 에너지 준위와 가전자대 맨 위 부분의 에너지 준위 간의 에너지 차

³⁾ 부성미분저항(負性微分抵抗, Negative Differential Resistance): 특정 영역에서 소자에 흐르는 전압이 증가 시 전류가 감소하는 현상

연구결과개요

Measurement of Exciton and Trion Energies in Multistacked hBN/WS₂ Coupled Quantum Wells for Resonant Tunneling Diodes
Myoung-Jae Lee, David H. Seo, Sung Min Kwon, Dohun Kim, Youngwook Kim, Won Seok Yun, Jung-Hwa Cha, Hyeon-Kyo Song, Shinbuhm Lee, MinKyung Jung, Hyeon-Jun Lee, June-Seo Kim, Jae-Sang Heo, Sunae Seo, and Sung Kyu Park
(ACS Nano, Tuesday 3^rd November 2020)

2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS₂)과 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride : hBN)를 수직으로 적층함으로써, 2차원 소재내의 밴드갭을 조절할 수 있음을 밝혀내고, 양자우물기반의 부성미분저항 특성을 보이는 다치로직소자를 구현하였다. 한 개의 hBN 층은 인접하는 WS₂층간의 전자 상호작용을 크게 줄이는 것을 확인하였으며, 이것이 2차원 소재내의 밴드갭 제어하는 메커니즘임을 확인하였다.
이를 이용한 다치로직소자는 두뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술 뿐만 아니라, 차세대 지능형반도체 소자 기술에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다.

DOI : 10.1021/acsnano.0c08133

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
2차원 소재를 적용한 다치논리소자는 2진법 기반 디지털 컴퓨터의 큰 전력 소모량의 한계를 극복하는 기술이며, 이를 이용한 신개념, 저전력 병렬연산 인공지능 개발에 도움될 것으로 기대한다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?

이 연구결과는 미래 초절전 반도체 소자/회로의 초석이 될 것으로 기대하며, 더 나아가 인간 뇌 기억을 담당하는 뉴런과 시냅스 기능을 모사하는 인공지능 뉴로모픽 반도체개발에 기여할 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

2차원 소재의 대면적 제작기술의 개발이 중요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

차세대 메모리소자 개발을 위한 새로운 소재 필요성으로 연구를 시작했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

향후, 초절전 반도체 소자/회로의 기반이 될것으로 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이번에 개발한 다치논리소자를 인공 시냅스 소자기술과 접목시켜 인공지능 반도체 소자개발에 기여할 수 있기를 기대한다.