퀘이사존

(이미지 출처: Brian Kostiuk via Unsplash)

 

새로운 "나노게이트" 설계는 메모리와 로직 사이의 전압 장벽을 허물어 AI 데이터 전송에 필요한 에너지 비용을 획기적으로 줄일 것으로 기대됩니다.

 

베이징대학교와 중국과학원 연구팀이 세계에서 가장 작은 강유전체 트랜지스터를 개발했습니다. 이 트랜지스터는 게이트 길이를 단 1나노미터까지 줄이는 데 성공했습니다. 과학 저널 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 발표된 이 나노게이트 소자는 단 0.6볼트의 전압으로 작동하여 반도체 산업의 핵심 전력 소비 병목 현상을 해결합니다.

 

최신 로직 칩은 약 0.7볼트에서 효율적으로 작동합니다. 그러나 NAND 플래시와 같은 주류 비휘발성 메모리는 쓰기 작업을 수행하는 데 일반적으로 5볼트 이상이 필요합니다. 심지어 이전의 강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)조차도 1.5볼트 이상을 필요로 했습니다.

 

이러한 전압 불일치로 인해 복잡한 승압 회로(Charge Pump)가 필요하게 되고, 귀중한 공간과 에너지를 낭비하게 됩니다. 일반적인 AI 칩에서 전체 전력 소비량의 60~90%는 실제 연산이 아닌 데이터 전송에만 사용됩니다.

 

이 문제를 해결하기 위해 추천광과 펑롄마오가 이끄는 연구팀은 금속성 단일벽 탄소나노튜브를 게이트 전극으로 사용했습니다. 이 설계는 나노팁(Nanotip) 역할을 하여 전기장을 집중시켜 강유전체 층과 채널 사이의 결합을 강화합니다.

 

이러한 전계 강화 기술 덕분에 해당 장치는 표준 논리 전압보다 낮은 0.6볼트에서 분극 상태를 전환할 수 있으며, 동시에 단채널 효과(Short-channel effect)에 대한 내성을 유지합니다.

 

이렇게 얻어진 이황화몰리브덴(180°C) FeFET는 2백만의 전류 온/오프 비율과 1.6나노초의 빠른 프로그래밍 속도를 자랑하는 탁월한 메모리 성능을 나타냅니다. 메모리와 로직 유닛 간의 전압 호환성을 확보함으로써, 이 기술은 추가적인 차지 펌프 회로가 필요 없어 고속 데이터 상호 작용의 장벽을 제거합니다.

 

연구진에 따르면, 이 원리는 일반적인 강유전체 소재에 적용 가능하며 표준 산업 제조 공정과 호환됩니다. 이번 연구 성과는 에너지 효율성이 매우 중요한 대규모 모델 추론, 엣지 인텔리전스, 웨어러블 기기 분야에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.