[지금은 과학] AI 시대 앞당긴다…다치 논리소자 나온다

[아이뉴스24 정종오 기자] 인공지능(AI) 시대가 성큼 다가오고 있다. ‘0’과 ‘1’을 이용하는 지금의 2진법 기반에서 ‘0’ ‘1’ ‘2’ 이상으로 처리할 수 있는 지능형 반도체, 다치(多値) 논리소자가 개발됐다.

국내 연구팀이 많은 양의 빅데이터 처리나 인간의 두뇌를 모방한 뉴로모픽 칩과 같은 AI 개발을 위한 차세대 지능형 반도체 소자기술을 개발했다. 뉴로모픽 칩(neuromorphic chip)은 사람의 뇌 신경을 모방한 차세대 반도체로 딥러닝 등 인공지능 기능을 구현할 수 있다.

DGIST(총장 국양)는 나노융합연구부 이명재 박사 연구팀이 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐(WS2)과 육방정 질화붕소(hBN)를 이용해 3진법 적용이 가능한 2차원 소재 기반의 다치(多値) 논리소자를 개발했다고 12일 발표했다.

현재 대부분 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 2진법 기반이다. 반도체나 집적회로(IC) 같은 컴퓨터산업도 2진법을 기반으로 발전해왔다. 현재에는 빅데이터 처리나 복잡한 연산을 요구하기 때문에 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다르고 있다. 이 때문에 방대한 정보량을 구현하면서 전력도 줄일 수 있는 다치 논리소자 연구가 세계적으로 연구 중이다.

3진법 이상의 논리가 구현 가능한 다치 논리소자는 정보를 ‘0’, ‘1’, ‘2’ 이상으로 처리할 수 있다. 2개의 숫자만 사용했던 기존의 2진법보다 처리해야 할 정보의 양이 줄어들어 소비전력이 적고 계산 속도가 빠르다. 이에 따라 대용량의 정보처리가 가능하면서 반도체 집적회로를 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다.

DGIST 이명재 박사 연구팀은 2차원 반도체 소재인 이황화텅스텐과 육방정 질화붕소를 결합해 ‘0’, ‘1’, ‘2’인 3개의 논리 상태 구현이 가능한 2차원 소재를 개발했다. 연구팀은 두 개의 2차원 반도체 소재를 수직으로 층층이 쌓아 올림으로써 육방정 질화붕소 층이 인접하는 이황화 텅스텐 층 간의 전자 상호작용을 크게 줄이는 것을 확인할 수 있었다.

이것이 2차원 반도체 소재 내의 밴드갭(band gap)을 제어하는 메커니즘임을 규명했다. 밴드갭(band gap)은 전도대 맨 아랫부분의 에너지 준위와 가전자대 맨 윗부분의 에너지 준위 간의 에너지 차이를 말한다. 이를 통해 특정 전압 구간에서 전류량이 감소하는 부성미분저항(특정 영역에서 소자에 흐르는 전압이 증가 시 전류가 감소하는 현상) 특성을 가진 다치 논리소자를 새롭게 개발했다.

이명재 박사는 “이번에 개발한 새로운 개념의 다치 논리소자는 앞으로 대용량 정보처리가 필요한 인공지능 소프트웨어를 지원하는 초절전형 소자·회로 기술의 기반이 될 것”이라며 “두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형 반도체 소자 기술의 적용이 기대된다"라고 말했다.

이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 김영욱 교수 연구팀과 공동으로 진행했다. 나노과학 분야 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 11월 3일 자 온라인(논문명:Measurement of Exciton and Trion Energies in Multistacked hBN/WS2 Coupled Quantum Wells for Resonant Tunneling Diodes)에 실렸다.

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