디램과 낸드가 하나로 통합된 꿈의 메모리…P램이 오고있다 [위클리반도... > IT/과학기사 | it/science

반도체는 전자기기를 작동시키기 위한 필수 부품이다. 스마트폰 태블릿 PC 데이터센터 할 것 없이 수많은 공간에 반도체는 존재한다. 하지만 문제점은 엄청난 에너지를 소모한다는 데 있다. 전류를 빠르게 전환스위칭해 데이터를 처리하기 때문에 스위칭 속도가 빨라질수록 전력 소비가 급증하고, 전력이 필요하지 않은 스탠바이 상태에서도 반도체 내에서 전자가 약간씩 흐르는 현상인 누설 전류leakage current가 발생한다. 이뿐인가. 작업 중 데이터를 임시로 저장하는 램RAM은 빠른 속도를 유지하기 위해 지속해서 전원을 공급받아야 하며, 비휘발성 메모리인 SSDSolid State Drive는 데이터 읽기, 쓰기, 이동 과정에서 전력을 사용한다. 이 때문에 반도체가 벌이는 전쟁 대상 중 하나는 에너지다.




하지만 만약 누군가가 디램과 낸드의 장점은 합하고, 종전 기술에서 에너지 소모를 10억분의 1로 낮춰주는 반도체를 개발하고 있다고 하면 어떨까. TSMC와 스탠퍼드대 연구진 등이 네이처를 통해 발표한 ‘나노 복합 초격자 구조를 활용한 저전력, 고안정성 나노 스케일 상변화 메모리Novel nanocomposite-superlattices for low energy and high stability nanoscale phase-change memory’에 그 힌트가 있을 수 있다. 연구진은 “인듐 셀레나이드In2Se3라는 특수 소재를 사용해, 상변화 메모리PCM의 에너지 요구량을 기존 대비 최대 10억 배 감소시키는 데 성공했다”고 논문을 통해 밝혔다.

먼저 상변화 메모리PCM·Phase-Change Memory를 살펴보자. PCM은 단기 메모리RAM와 장기 저장 장치SSD· HDD의 장점을 결합한 차세대 메모리 기술이다. RAM은 속도는 빠르지만 전력 공급이 끊기면 데이터가 사라진다. 반면 저장 장치는 데이터를 유지하는데 탁월하나 속도가 느리다. 상변화 메모리PCM는 이를 해결하기 위한 ‘꿈의 반도체’다. 작동 원리는 이렇다. PCM상변화 메모리은 데이터를 저장하기 위해 특정 물질의 물리적 상태를 변화시키는 방식을 이용한다.

원자들이 규칙적으로 배열된 상태로 전기 저항이 낮아 데이터를 ‘1’로 표현할 수 있는 결정 상태crystalline, 그리고 원자들이 무질서하게 배열된 상태로 전기 저항이 높아 데이터를 ‘0’으로 표현하는 비정질 상태amorphous가 그것이다.

그렇다면 결정 상태와 비정질 상태를 어떻게 오갈까. PCM은 레이저나 전류를 사용해 물질을 높은 온도로 가열한 뒤 녹인 후, 급격히 냉각시켜 비정질 상태로 전환한다. 하지만 이런 방식은 상당한 에너지를 소모한다. 물을 얼음으로 바꾸려면 먼저 물을 끓여서 완전히 증기로 만들고, 다시 냉동실에 넣어 급속 냉각해야 한다고 상상해 보면 쉽다. 이렇게 하면 얼음을 만들 수는 있지만, 물을 끓이는 데 에너지가 많이 들고, 냉각 과정도 시간이 오래 걸린다.

연구진은 PCM의 기존 방식을 대체할 새로운 접근법을 찾았다. 인듐 셀레나이드를 이용해 전기적 충격만으로 물질을 비정질 상태로 변환하는 기술을 발견한 것이다. 소재를 바꿨더니 에너지 효율이 급증한 것이다. 리테시 아가르왈Ritesh Agarwal 펜실베이니아대 재료공학 교수는 “상변화 메모리의 가장 큰 문제 중 하나는 높은 에너지 요구량이었다”며 “이번 발견이 저전력 메모리 기기 설계를 위한 놀라운 잠재력을 보여준다”고 설명했다. 인듐 셀레나이드In2Se3는 인듐Indium과 셀레늄Selenium이 결합해 만든 화합물 반도체다. 인듐Indium은 녹는점이 낮아 가공이 쉬우며, 고온에서 쉽게 증발하지 않는다. 아연 광석 부산물로 LED 제작에 흔히 활용된다.



셀레늄Selenium은 전기를 잘 전달하지 않지만, 빛을 받으면 전도성이 증가하는 이른바 광전도성이 있다. 인류는 이런 성질을 이용해 태양광 패널과 복사기, 광센서를 만들고 있다. 연구진이 지속적 테스트 끝에 전류가 인듐 셀레나이드의 일부를 비정질 상태로 변형시킨다는 사실을 발견했다. 이는 전기적 성질이 필요한 현상이었다. 가우라브 모디Gaurav Modi 연구원은 “처음에는 실험 장치가 손상된 줄 알았다”며 “지속적인 전류만으로 결정 구조가 변형된 것은 전례 없는 일”이라고 설명했다.

인듐 셀레나이드 크게 △ 외부 전력 없이 내부 전기장을 생성 강유전체성 △ 전기 자극에 의해 물리적 변형을 유발하는 압전성 △ 저전력 충격에도 반응하는 이차원 구조성을 갖고 있다. 전류에 의해 발생한 미세한 변형이 물질 내부에서 일종의 작은 진동이나 파동인 음향 충격acoustic jerk을 발생시키며, 이 충격파가 물질 전반에 걸쳐 비정질화를 확산시키는 ’눈사태 효과‘를 일으키는 것으로 나타났다. 마치 지진이 작은 균열에서 시작해 큰 산사태를 유발하는 현상과 비슷한 것이다.

이번 연구는 저전력 전자 및 광전자 기기의 개발에 있어 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받았다. 연구진은 “인듐 셀레나이드의 물리적 특성은 기존의 물질과 기기 설계 방식을 완전히 새롭게 정의할 수 있다”며 “저전력 데이터 저장 및 전자 기기 응용 기술로 이어질 가능성이 크다”고 설명했다.

이러한 기술은 미래에 램과 SSD가 하나로 합쳐진 PCM을 태동시킬 가능성이 크다.

PMC은 스탠포드 R. 오브신스키가 1960년대 아이디어를 내면서 개발이 시작됐다. 그는 GSTGe2Sb2Te5와 같은 비정질 합금의 잠재력을 발견하고, 이를 데이터 저장 기술에 적용하려고 애쓴 인물이다. GST는 Ge2Sb2Te5 게르마늄-안티몬-텔루륨의 화학식을 가진 화합물로 결정상태와 비정질상태로 전환이 되는 특징이 있다. 국내에서도 이런 연구가 활발하다. KAIST 최신현 교수 연구팀은 올해 ’초저전력 차세대 상변화 메모리 소자‘를 개발했다고 밝혔다. 램과 낸드가 통합된 PCM이다. PCM은 값비싼 초미세 반도체 노광공정을 사용하지 않는다. 그러면서도 나노미터nm 스케일의 상변화 필라멘트를 자체적으로 형성해, 종전 상변화 메모리보다 소비 전력을 15배 이상 감소시켰다는 평가를 받았다. 삼성전자는 2004년 세계 최초로 64Mb PCM 시제품을 개발한 이후, 2006년에는 512Mb 시제품을 공개하며 상용화에 대한 기대를 높이기도 했다.

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