경상국립대학교(총장 권진회, 이하 경상국립대) 자연과학대학 화학과 김윤희 교수와 가천대학교 반도체 공학과 유호천 교수 공동 연구팀이 광학 신호를 활용해 연산과 데이터 저장이 동시에 가능한 차세대 광전자식 프로세싱 인 메모리(Processing in memory, PIM) 소자를 개발했다.
PIM(프로세싱 인 메모리, 지능형 반도체) 소자는 메모리 영역에서 데이터 연산이 가능해 처리 속도와 전력 소모량을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 컴퓨팅 소자로 챗지피티(ChatGPT) 및 초거대 인공지능 인프라를 위한 핵심 기술로 기대를 모으고 있다.
기존 프로세싱 인 메모리 소자는 대부분 0 혹은 1의 2가지 상태만 저장과 프로세싱이 가능했으나, 공동 연구진이 발표한 차세대 소자는 0, 1, 2, 및 3의 4가지 신호를 저장하고 처리할 수 있다.
이번에 공동 연구팀이 발표한 광전자식 프로세싱 인 메모리 소자는 메모리 동작 시, 다파장 영역의 광학 신호를 인가하면 파장에 따라 저장되는 전하의 양을 조절할 수 있는 새로운 소자이다.
공동 연구팀은 다중 상태의 신호 저장과 처리를 위해 신호 저장을 위한 플로팅 게이트 물질로 광대역 광반응성을 갖춘 고분자를 개발해 도입했다. 이 경우 트랜지스터 반도체 물질과 플로팅 게이트 물질의 광학적 성질에 따라 4가지 출력 상태를 유도할 수 있게 됨으로써 기존 소자들에 비해 확장된 저장 능력과 광신호 검출 능력을 갖출 수 있다.
나아가 공동 연구팀은 유기 반도체의 재료적 특성인 자체적인 유연성에 주목해, 명함 위에서도 동작이 가능한 광전자식 메모리를 구현했다. 제작된 소자는 100회 이상의 기계적 구부림 환경에서도 90% 이상의 성능을 유지함으로써 차세대 프로세싱 인 메모리 소자의 유연 플랫폼으로의 적용 가능성을 검증했다.
유호천 교수와 김윤희 교수는 “이번 연구 결과는 최근 주목받고 있는 프로세싱 인 메모리 기술의 확장을 보여준 연구 결과”이라며 “재료와 소자를 통합적으로 아우르는 연구 접근 방식을 통해, 다중 상태 저장이 가능한 광전자식 프로세싱 인 메모리 소자 플랫폼을 성공적으로 구현한 사례”이라는 의견을 밝혔다.
이번 연구 결과는 성과를 인정받아 나노 과학 기술분야 세계권위 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’(Impact factor: 10.8)에 게재됐다.
