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2014년 9월 20일 토요일

초고속 상변이 반도체


 상변이 메모리 (Phase Change Memory, PCM/ PRAM) 은 현재의 낸드 플래쉬를 대체할 차세대 소재로 크게 각광을 받고 있습니다. 물질이 변환되는 것을 이용해서 기록을 저장하는 상변이 메모리는 속도는 DRAM 만큼이나 빠르면서 낸드 플래쉬처럼 비휘발성 메모리이기 때문에 이를 이용한다면 초고속 SSD 의 개발이 가능합니다. 삼성 전자를 비롯해 세계 유수의 기업과 연구소가 이를 개발 중에 있어 아마도 상용화 역시 먼 미래의 일은 아닐 것으로 기대되고 있습니다.


(PRAM cell structure.   A cross-section of two PRAM memory cells. One cell is in low resistance crystalline state, the other in high resistance amorphous state.http://en.wikipedia.org/wiki/File:PRAM_cell_structure.svg  )  


 영국 캠브리지 대학과 싱가포르의 Singapore A*STAR Data-Storage Institute, 그리고 싱가포르 대학의 연구자들은 상변이 반도체의 작동속도를 획기적으로 끌어올림과 동시에 논리 회로에 이를 적용하는데 성공했다고 합니다. 이들이 개발한 상변이 반도체는 결정형이 되었다가 다시 녹는데 불과 0.5 나노초 (nanosecond) 밖에 걸리지 않는다고 합니다.  


 연구를 이끌고 있는 캠브리지 대학의 스티븐 엘리엇 교수  (Professor Stephen Elliott of Cambridge's Department of Chemistry) 는 현재 우리가 실리콘 기반 반도체에 한계에 빠르게 도달하고 있다며 그 속도의 한계를 돌파할 수 있는 신기술이 필요하다고 역설했습니다. 이번에 개발된 새로운 소재는 메모리는 물론 논리회로 (Logic) 를 포함하고 있으며 속도 면에서 실리콘 기반 소재를 넘어서는 것이라고 합니다. 또 크기도 매우 작아질 수 있어서 2 nm 까지 공정을 미세화 시킬 수 있다는 것이 연구팀의 설명입니다.  


 현재의 실리콘 기반 로직들은 이미 20 nm 수준까지 작아져서 지속적으로 더 작게 만드는데 어려움을 겪고 있습니다. 천하의 인텔조차 14 nm 공정 이전은 상당 수준 연기를 거듭할 수 밖에 없었죠. 공정이 미세화 될 수록 이런 실리콘 기반 반도체에 전자를 흘려보내 연산을 하는 일은 어려워집니다. 터널효과를 비롯한 양자 역학적 현상이 강해지면서 전류는 누설되고 정보를 더 이상 저장히기 힘들어지기 때문입니다.  


 상변이 방식을 이용한 반도체는 매우 적은 전력으로 작동할 수 있으며 전류가 흐르지 않더라도 기록을 그대로 저장할 수 있습니다. 그러나 DRAM 은 물론 CPU 같은 논리회로에 사용되기 위해서는 아주 빠른 속도가 필요합니다. 엘리엇 교수는  "우리는 궁극적으로 DRAM 과 논리 프로세서 모두를 상변이 반도체 기반으로 변경하려고 한다. 그런데 그렇게 하기 위해서는 속도를 1 나노초로 줄여야 했다. Eventually, what we really want to do is to replace both DRAM and logic processors in computers by new PCM-based non-volatile devices. But for that, we need switching speeds approaching one nanosecond " 라고 언급하면서 이번 연구로 논리 회로 구현은 물론 속도를 매우 빠르게 높이므로써 그 가능성이 열렸다고 말했습니다.  


 만약 실제로 상변이 반도체를 이용해서 SSD 는 물론 CPU, DRAM 까지 구현이 가능하다면 전력 소모는 획기적으로 감소할 수 있을 것입니다. 이는 모바일 기기는 물론 점점 그린 IT 가 각광을 받는 상황에서 매우 고무적인 결과라고 할 수 있습니다. 물론 실제로 상변이 반도체가 널리 사용되기까지는 앞으로도 좀 더 시간이 필요할 것으로 보입니다. 또 항상 신기술이란 실패의 가능성을 내포하고 있다는 점도 고려해야 합니다. 그 사이 더 좋은 경쟁 기술이 나타나지 말라는 법이 없으니까요.  


 오랜 시간 차세대 반도체로 주목을 받아왔던 상변이 메모리와 반도체가 과연 실제로 응용되어 IT 부분에 혁신을 가져올 수 있을 지 궁금해지는 소식이었습니다. 아마 만약에 가능하다면 부팅과 종료가 거의 순식간에 일어나는 컴퓨터가 가능할 텐데 말이죠.  


 참고  


Desmond Loke, Jonathan M. Skelton, Wei-Jie Wang, Tae-Hoon Lee, Rong Zhao, Tow-Chong Chong, and Stephen R. Elliott. "Ultrafast phase-change logic device driven by melting processes." PNAS 2014 111 (37) 13272-13277; published ahead of print September 2, 2014, DOI: 10.1073/pnas.1407633111



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