국내연구진, 3진법 이해하는 초절전형 반도체 소자·회로 개발

[이데일리 오희나 기자] 미래창조과학부는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 기반 컴퓨터가 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다른 현 시점에서 3개의 논리 상태인 ‘0’, ‘1’, ‘2’를 사용해 대용량 정보처리가 필요한 프로그램의 원활한 수행을 지원할 수 있는 차세대 초절전 반도체 소자·회로 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

3진법과 부성미분저항 특성에 기반한 이 기술은 미래 초절전 반도체 소자·회로 개발 시 필수적인 원천기술이다. 3진법을 이해하는 컴퓨터는 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자만으로도 동일한 기능을 수행할 수 있어 반도체칩의 소형화, 저전력화, 고속화가 가능하다.

박진홍 교수 연구팀(성균관대) 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication) 7일자에 게재됐다.

3진법을 이해하는 컴퓨터를 구현하는 다치논리 컴퓨터 기술은 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자들만으로 동일한 기능을 수행할 수 있기 때문에 칩의 소형화, 저전력화, 고속화 측면에서 유리하다.

연구팀은 2차원 물질 기반 부성미분저항 특성 소자와 p형 트랜지스터 2개의 소자로 3개의 논리상태(‘0’, ‘1’, ‘2’)를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하는데 성공했다. 참고로 기존 2진 인버터 회로는 2개의 소자를 이용하여 2개의 논리상태(‘0’, ‘1’)를 표현한다.

또한 연구팀은 다양한 물리적 메커니즘(터널링, 확산 메커니즘 등)들을 고려해 부성미분저항 특성소자의 전류 분석 모델을 개발하고 이를 활용해 부성미분저항 특성소자의 전기적 특성을 자세하게 분석했다. 특히 열에너지가 소자 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위해 상온(27도)뿐만 아니라 저온(영하 90도)에서도 측정·분석을 수행했다.

제작된 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자는 상온(27도)에서 약 4.2 이상의 높은 피크-밸리 전류비를 보였으며, 개발된 전류 분석 모델을 활용해 저온(영하 90도)에서 약 6.9 이상의 매우 높은 피크-밸리 전류비를 보이는 원인을 밝혀냈다. 이는 다양한 물리적 메커니즘(전자의 터널링, 확산)들이 온도에 따라 부성미분저항 특성소자의 동작에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀낸 결과이며, 부성미분저항 특성소자 기반 응용연구의 기틀을 마련한 것이라고 볼 수 있다.

2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자 및 3진 인버터 회로 구현과 관련된 연구결과는 기존 소자·회로의 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시키는 데 적극 활용돼 착용형 스마트기기 및 지능형 로봇, 슈퍼 컴퓨터 등의 다양한 분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.

특히 알파고(구글 딥마인드가 개발한 인공지능(AI) 바둑 소프트웨어)와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 위한 미래 초절전 소자·회로(하드웨어) 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

박진홍 교수는 “이번 연구성과는 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상 시킬 수 있는 새로운 패러다임의 3진법 소자·회로를 개발한 것”이라며 “가령 십진수 128을 표현하기 위해 기존에는 8비트 필요했지만 이제는 5비트만 있으면 된다. 그만큼 반도체 소자·회로가 빨라지고 소형화될 수 있는 가능성을 열었다”고 말했다.

3진법에 기반해 동작하는 초절전형 2차원 반도체 소자·회로