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<자료문의> 포항공과대학교 신소재공학과 이장식 교수(054-279-2153)
방대하고 복잡한 데이터, 3차원 메모리로 처리한다 차세대 3D 고집적 메모리 개발 및 인-메모리 컴퓨팅 기술 확보

□ 방대하고 복잡한 데이터를 머리카락보다 1만 배 이상 얇은 3차원 메모리 소자에 저장·처리할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 포항공과대학교 이장식 교수 연구팀이 강유전체* 물질을 활용하여 정보의 저장, 처리 및 연산이 모두 가능한 차세대 3차원 구조의 고집적 메모리 어레이**를 개발했다고 밝혔다.

* 강유전체(ferroelectric) : 외부 전기장 없이도 전기적 분극을 갖는 물질. 차세대 고성능 메모리 소자 기술로 주목받고 있다.

** 메모리 어레이(memory array) : 메모리 소자들이 칩 위에 나열되어있는 기억장치의 배열.

□ 최근 인공지능·자율주행·사물인터넷 등의 활용이 활발해지면서 이에 필요한 메모리 용량이 지속 증가하고 있지만, 공정이 복잡하고 저전력·고집적도를 만족하는 기술 개발에 어려움을 겪고 있다.

○ 더불어, 비정형의 방대한 정보를 메모리 내에서 실시간으로 분석하는 인-메모리 컴퓨팅* 기술의 활용도 역시 높아지는 상황이다.

* 인-메모리 컴퓨팅 : 메모리 내에서 데이터의 저장뿐 아니라 데이터의 연산까지 수행하는 기술. 전력 소모가 낮고 처리 속도가 매우 빨라 차세대 저전력 인공지능 칩을 만드는 유력한 기술로 꼽힌다.

□ 인-메모리 컴퓨팅 기술을 구현하기 위해서는 현재 상용화된 메모리 수준의 집적 기술과 동작 방식 관련 연구가 시급하다.

○ 현재까지의 관련 연구는 단위 소자 및 이를 2차원 평면상에서 집적한 어레이 기술 개발에 집중되었는데, 이는 정보의 양이 늘어날수록 어레이의 면적이 계속 커져야 하는 한계가 있었다.

□ 이장식 교수 연구팀은 인-메모리 컴퓨팅 어레이에서 활용 가능한 고성능 메모리 소자를 구현하기 위해 강유전체 물질을 이용한 메모리 소자에 주목했다.

○ 연구팀은 산화 하프늄* 기반 강유전체 물질과 산화물 반도체** 채널 층을 활용하여 고성능 강유전체 메모리 소자를 개발하고, 이를 어레이 구조로 집적한 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 구현하였다.

○ 특히, 이를 수직으로 적층해 복잡한 정보의 처리를 각 층에서 병렬적으로 진행 가능한 3차원 구조의 어레이를 제시하였으며, 여러 색이 포함된 그림과 같이 복잡한 형태의 정보 처리가 가능함을 확인하였다.

○ 연구팀은 3차원 구조의 강유전체 메모리의 크기를 10nm*** 수준으로 소형화시켜 현재 상용화된 메모리에 비하여 높은 집적도의 인-메모리 컴퓨팅 어레이 구현 가능성도 확인했다.

* 산화 하프늄 : 강유전체의 성질을 유지하면서 박막을 더 얇게 만들 수 있는 화합물 소재.

** 산화물 반도체 : 금속 산화물로 만든 반도체. 금속의 종류에 따라 용도를 달리할 수 있다.

*** 10nm : 10나노미터는 머리카락 굵기의 1만 2,000분의 1 정도이다.

□ 이장식 교수는 “이번에 개발한 기술은 비정형의 복잡한 정보 처리가 필요한 인공지능, 무인자동차, 사물인터넷, 메타버스 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’에 2월 1일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 포항공과대학교 이장식 교수>

논문명	Highly-scaled and fully-integrated 3-dimensional ferroelectric transistor array for hardware implementation of neural networks
저널명	Nature Communications
키워드	In-memory computing (인-메모리 컴퓨팅), Ferroelectric transistor (강유전체 트랜지스터), Artificial neural network (인공 신경망), Image processing (사진 정보 처리), 3D integrated structure (삼차원 집적 구조)
DOI	https://doi.org/10.1038/s41467-023-36270-0
저 자	이장식 교수 (교신저자/포항공과대학교), 김익재 (제1저자/포항공고대학교), 김민규 박사 (제2저자/포항공과대학교)

1. 연구의 필요성

○ 방대한 양의 정보를 저장하고 처리하기 위해 기존 상용화된 3D NAND와 같이 메모리의 용량은 지속적으로 증가하고 있으나, 메모리 용량 증가에 따른 공정 복잡도 증가로 기술 개발에 어려움을 겪고 있다.

○ 또한, 정보의 처리를 위해서는 메모리에 저장된 정보가 이를 처리하는 프로세서로 전달되어야 하는데, 반복적인 정보 전달 과정에서 발생하는 병목 현상은 정보의 처리 속도를 크게 낮추고, 또한 이러한 정보 전달에 사용되는 전력 소모가 점점 더 커지고 있어 이를 해결 가능한 차세대 메모리 및 정보 처리 기술의 개발이 시급하다.

○ 제시된 차세대 정보 처리 기술 중 하나인 인-메모리 컴퓨팅* 기술은 메모리 내에서 정보의 저장 뿐 아니라 정보의 연산까지 수행하는 기술로, 정보의 전달 과정없이 메모리 내에서 연산이 가능하기 때문에 전력 소모 및 속도 측면에서 장점이 있어 차세대 정보 처리 기술로 주목받고 있다.

* 인-메모리 컴퓨팅 : 메모리 내에서 데이터의 저장 뿐 아니라 데이터의 연산까지 수행하는 기술. 메모리 내 대량의 정보 이동 없이 메모리 내에서 병렬 연산하기 때문에 전력 소모가 현저히 낮아, 차세대 저전력 인공지능 칩을 만드는 유력한 기술로 주목받고 있다.

○ 하지만, 인-메모리 컴퓨팅 기술 구현을 위해서는 현재 상용화된 메모리 수준의 집적도를 가지는 어레이 구조 및 동작 방식 개발이 필수적인데, 현재까지의 인-메모리 컴퓨팅 관련 연구는 단위 소자 기술 및 이를 2차원 구조에서 집적한 어레이 기술 개발에 집중되어왔다. 2차원 구조의 어레이를 활용할 경우 여러 어레이를 구성하게 되면 어레이의 크기 및 칩의 크기가 증가한다는 단점이 있다.

○ 따라서, 2차원 구조의 집적도 문제를 해결하면서 현재 상용화된 메모리 수준의 집적도 달성과 동작 방식 관련 연구가 시급한 상황이다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 다양한 차세대 메모리 중 외부 에너지가 없어도 스스로 전기적 분극 상태를 유지하는 강유전체** 물질을 기반한 메모리 소자를 활용하여 3차원 구조로 집적된 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 개발했다.

** 강유전체(ferroelectric) : 외부 전기장 없이도 자발적인 분극을 갖는 물질로 외부 전기장에 의해 분극의 방향을 바꿀 수 있음.

○ 연구팀은 인-메모리 컴퓨팅 어레이에서 활용 가능한 고성능 메모리 소자를 구현하기 위해 산화 하프늄 기반 강유전체 물질과 산화물 반도체 채널 층을 활용하여 고성능 강유전체 메모리 소자를 개발하고, 이를 어레이 구조로 집적한 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 구현하였다.

○ 연구팀은 기존 2차원 구조를 벗어나 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 수직으로 적층하여 복잡한 정보의 처리를 각 층에서 병렬적으로 진행가능한 3차원 구조의 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 제시하였으며, 각 층을 병렬적으로 활용하여 여러 색이 포함된 복잡한 형태의 정보 처리가 가능함을 실험적으로 확인하였다.

○ 또한, 연구팀은 3차원 구조의 강유전체 메모리의 크기를 10nm 수준으로 소형화시켜 현재 상용화된 메모리에 비하여 높은 집적도의 인-메모리 컴퓨팅 어레이 구현 가능성을 확인하였다.

○ 실험 결과들을 통해 고집적 강유전체 메모리 기반 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 활용할 시 임의의 물체 종류를 인식하는 시험에서 93% 이상의 인식률을 보임을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 강유전체 물질을 활용한 인-메모리 어레이의 고집적 3차원 구조와 동작 방식을 확립하고, 강유전체 기반 인-메모리 컴퓨팅  어레이의 가능성과 우수성을 실험적으로 직접 확인하였다는 의의가 있다.

○ 이러한 특성을 활용하여 향후 비정형 정보의 처리가 필요한 모바일 기기, 무인자동차, 사물인터넷, 메타버스 등 다양한 분야에 해당 기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 본 연구에서 사용되는 물질들은 현재 반도체 공정에서 사용하는 물질들이기 때문에 실제 반도체 집적 공정에 바로 적용할 수 있다는 장점이 있어 비정형 정보 처리가 가능한 인공 신경망 칩의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

그림 설명

(그림1) 강유전체 메모리 기반 3차원 인-메모리 컴퓨팅 어레이의 구조, 데이터 처리 및 각 층을 병렬적으로 활용한 데이터 연산 방법

- 제작된 강유전체 메모리 기반 인-메모리 컴퓨팅 어레이. 반도체 집적 공정을 이용하여 집적된 어레이 구조를 형성하였음 (상단).

- 3차원 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 활용한 데이터 처리 및 연산 (중단).

- 3차원 인-메모리 컴퓨팅 어레이의 각 층을 서로 다른 데이터 처리에 활용한 병렬 데이터 처리 방법 (하단).

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 이장식 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

○ 지금까지의 인-메모리 컴퓨팅 관련 연구는 단위 소자 및 2차원 어레이 구조 개발 혹은 시뮬레이션을 통한 동작 특성 평가 예측에 집중되어 왔다.

○ 하지만, 차세대 메모리를 활용한 인-메모리 컴퓨팅 기술 구현을 위해서는 현재 상용화된 메모리 수준의 집적도를 가진 어레이 구현 및 동작 특성에 대한 실험적 검증이 필수적인데, 관련된 연구는 아직까지 보고된 바가 없다.

○ 우리 연구팀은 강유전체 메모리 기술과 3차원 소자 집적 기술을 이용하여 인-메모리 컴퓨팅 어레이 구현 및 동작 방식 개발 연구를 시작하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

○ 본 성과는 고집적 강유전체 기반 3차원 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 구현하고, 해당 어레이의 동작 가능성을 실험적으로 확인한 세계 최초의 연구 성과이다. 기존 제시되었던 평면 구조 어레이 구조 및 동작 방식이 아닌 집적된 3차원 구조에서 각 층을 병렬적으로 활용하여 서로 다른 정보 처리 동작을 진행할 수 있어 강유전체 기반 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 기반한 인공지능 칩 개발에 새로운 패러다임을 제시한 연구 성과로 생각된다.

○ 개발된 강유전체 기반 인-메모리 컴퓨팅 어레이를 활용하면 높은 집적도에서 복잡한 정보의 처리를 병렬적으로 진행할 수 있어 강유전체를 기반한 인공지능 칩 개발의 가속화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

○ 본 연구에서 개발된 강유전체 기반 인-메모리 컴퓨팅 기술을 통해 향후 복잡한 비정형 정보의 처리가 필요한 모바일 기기, 무인자동차, 사물인터넷, 인공지능, 메타버스 등 다양한 분야에 해당 기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 실용화를 위한 과제는 대규모의 인공지능 어레이 집적 기술 개발과 칩에서의 동작 특성 검증을 위한 칩 제작 기술과 개발이 필요하다.