Research

[POSTECH·美IBM 연구팀, 차세대 인공지능 메모리 소자의 숨겨진 작동 원리 규명]

 AI(인공지능)가 점점 더 똑똑해지는 시대, 이 기술을 더 빠르고 효율적으로 만들 지름길이 POSTECH 연구진에 의해 밝혀졌다. 

 신소재공학과·반도체공학과 김세영 교수, 곽현정 박사 연구팀이 미국 IBM TJ Watson 연구소 오키 구나완(Oki Gunawan) 박사와 함께 차세대 인공지능 핵심 기술로 주목받는 전기화학 메모리 소자(이하 ECRAM^*1 ) 작동 원리를 세계 최초로 규명하는 데 성공했다. 이번 연구는 과학 국제 학술지 중 하나인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 

 AI가 발전하면서 데이터 처리량도 기하급수적으로 늘어나고 있다. 하지만 현재 컴퓨터는 데이터를 저장하는 ‘메모리’와 연산을 수행하는 ‘프로세서’가 분리되어 있어, 두 장치 간 데이터 전송에 많은 시간과 에너지가 필요하다. 이를 해결하기 위해 등장한 개념이 ‘인-메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing)’이다.

 ‘인-메모리 컴퓨팅’ 기술은 말 그대로 메모리 내에서 연산이 가능해 데이터 이동 없이 빠르고 효율적인 작업이 가능하다. ECRAM는 이를 구현할 핵심 기술 중 하나다. ECRAM은 이온의 움직임을 통해 정보를 저장·처리하는데 마치 아날로그 방식처럼 연속적인 값을 저장할 수 있다. 그러나 복잡한 구조와 고저항성 산화물 소재로 인해 작동 원리를 명확히 이해하기 어려웠고, 이는 상용화의 큰 걸림돌로 남아 있었다.

 연구팀은 텅스텐 산화물을 사용하여 이 ECRAM를 ‘다중 단자 구조’로 제작하고, 극저온(–223℃, 50K)부터 상온(300K)까지 다양한 온도에서 내부의 전자 움직임을 관찰할 수 있는 ‘평행 쌍극자 홀 측정 기술^*2 ’을 적용했다. 그 결과, 연구팀은 ECRAM 내부 산소 결함이 약 0.1eV의 얕은 도너 준위를 형성하며, 전자가 쉽게 이동할 수 있는 일종의 ‘지름길’을 만든다는 사실을 세계 최초로 관찰했다. ECRAM이 정보를 저장하고 전달할 때 단순히 전자의 양이 늘어나는 것뿐 아니라 전자들이 자유롭게 이동할 수 있는 환경 자체가 형성되었다. 이 메커니즘이 극저온에서도 유지된다는 점은 ECRAM의 안정성과 내구성을 입증하는 중요한 발견이다.

 김세영 교수는 “이번 연구는 ECRAM 작동 원리를 다양한 온도에서 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다”라며, “이 기술이 상용화되면 스마트폰, 태블릿, 노트북 같은 기기에서 AI가 더 빠르게 실행되고, 배터리 사용 시간도 더 길어지는 효과를 기대할 수 있을 것”이라는 말을 전했다. 

 한편, 이 연구는 산업통상자원부 주관 민관공동투자반도체고급인력양성사업의 고집적 스토리지 클래스 메모리 및 딥러닝 가속기 구현을 위한 CMOS 공정 호환 고성능 ECRAM 개발 및 티키타카 알고리즘과 고성능 시냅스 소자의 co-optimization을 통한 뉴로모픽/인메모리 연산 칩 구현기술 개발과제의 지원을 받아 수행되었다. 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58004-0

1. ECRAM(Electrochemical Random-Access Memory): 전기화학적 랜덤 액세스 메모리로, 채널 내 이온 농도에 따라 컨덕티비티가 변화하며, 이를 아날로그 메모리 상태로 표현한다. 소스, 드레인, 게이트 3단자 구조로 되어 있어, 게이트에 전압을 인가하여 이온 이동을 제어하고, 소스와 드레인을 통해 채널 컨덕티비티를 읽는다.

2. 평행 쌍극자 홀 측정 기술(Parallel Dipole Line Hall System, PDL Hall 시스템): 두 개의 원통형 쌍극자 자석으로 구성된 홀 측정 시스템으로, 하나의 자석을 회전시키면 다른 하나가 자동으로 회전하게 되고, 두 개의 자기장을 중첩함으로써 강한 자기장을 생성시킬 수 있는 시스템이다.