스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 연구진이 2D 반도체와 강유전체 소재를 통합하여 디지털 및 아날로그 정보 처리를 공동으로 수행함으로써 에너지 효율을 향상시키고 새로운 기능을 지원할 수 있다고 제안했다.

Nature Electronics에 발표된 이 연구는 초박형 2D 반도체와 강유전체 소재를 통합함으로써 에너지 효율을 향상시키고 컴퓨팅에 새 기능을 추가할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있다. 이 소자는 스위칭 시 에너지 소비가 적은 2D 음의 커패시턴스 텅스텐 디셀레나이드/주석 디셀레나이드 터널 FET(TFET)와 실리콘 도핑된 강유전체 하프늄 산화물(Hafnium oxide, HfO₂)을 사용해 연속적인 처리와 메모리 저장을 동시에 수행할 수 있는 가능성을 제공한다.

더 빠르고 효율적인 전자장치 

Nanoelectronics Device Laboratory(이하 Nanolab)의 혁신은 Microsystems Laboratory와 협력하여 뛰어난 음의 커패시턴스 터널 전계효과 트랜지스터(Tunnel Field-Effect Transistor, TFET)를 포함하여 뇌에서 영감을 얻은 기능과 첨단 전자 스위치를 구현하는 소재의 독특한 조합을 통해 이루어진다. 전자의 세계에서 트랜지스터 또는 "스위치"는 전등 스위치에 비유할 수 있으며, 전류의 흐름(on) 또는 흐르지 않음(off)을 결정한다. 이는 이진 컴퓨터 언어인 1과 0이며, 이 간단한 동작은 정보 처리부터 메모리 저장에 이르기까지 전자 장치의 거의 모든 기능에 필수적이다. TFET는 에너지를 고려한 미래를 염두에 두고 설계된 특수한 유형의 스위치이다. 켜는 데 일정한 최소 전압이 필요한 기존의 트랜지스터와 달리, TFET는 훨씬 더 낮은 전압에서 작동한다. 

EPFL 교수이자 Nanolab의 책임자인 아드리안 이오네스쿠(Adrian Ionescu)는 “우리의 노력은 이전의 성능 벤치마크를 무너뜨린 전자 분야의 중요한 도약을 의미하며, 음의 커패시턴스 텅스텐 디셀레나이드/주석 디셀레나이드 TFET의 뛰어난 성능과 동일한 기술 내에서 시냅스 뉴런 기능을 만들어낼 수 있는 가능성을 보여준다.”라고 말했다. 

EPFL의 박사과정 학생인 사데 카마에이(Sadegh Kamaei)는 처음으로 완전한 공동 통합 전자 시스템 내에서 2D 반도체와 강유전체 소재의 가능성을 활용했다. 2D 반도체는 초고효율 디지털 프로세서에 사용될 수 있지만, 강유전체 소재는 동시에 메모리를 영속적으로 처리하고 저장할 수 있는 가능성을 제공한다. 두 소재를 결합하면 각각의 디지털 역량과 아날로그 역량을 최대한 활용할 수 있는 기회가 만들어진다.
카마에이는 “2D 반도체를 강유전체 소재와 통합하는 작업은 매우 힘들지만 보람 있는 일이다. 연구 결과의 잠재적 적용은 향후 전자장치를 어떻게 바라보고 상호작용하는지 재정의할 수 있다.”라고 말했다.

기존 로직과 뉴로모픽 회로의 결합

연구진은 뉴로모픽 컴퓨팅을 위해 생물학적 시냅스와 유사한 스위치를 만드는 방법도 모색했다.  
이오네스쿠 교수는 “이 연구는 폰 노이만 논리 회로와 뉴로모픽 기능을 최초로 공동 통합한 것으로, 매우 낮은 전력 소비와 디지털 정보 처리와 결합된 뉴로모픽 기능의 구축이라는 지금까지 연구되지 않은 기능을 특징으로 하는 혁신적인 컴퓨팅 아키텍처를 개발하기 위한 흥미로운 과정을 보여준다.”라고 덧붙였다.

이러한 진보는 인간의 두뇌와 유사한 방식으로 작동하는 전자장치의 개발을 암시하며, 인간의 인지와 더 부합하는 방식으로 정보 처리와 계산 속도를 결합한다. 예를 들어, 뉴로모픽 시스템은 패턴 인식, 감각 데이터 처리 또는 특정 유형의 학습과 같이 기존 컴퓨터가 어려움을 겪는 작업에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있다. 전통적인 로직과 뉴로모픽 회로의 결합은 광범위한 영향력을 미칠 수 있는 혁신적인 변화를 의미한다. 미래에는 더 똑똑하고 빠를 뿐만 아니라 더 에너지 효율적인 장치가 개발될 것이다.