삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)가 이번에 발표한 연구는 이러한 한계를 넘어설 새로운 방향을 제시한다. 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 낸드플래시 구조를 통해 셀 스트링(Cell String) 동작에서 기존 대비 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 가능성을 확인한 것이다.

*강유전체: 자발적 분극 변화를 통해 정보 저장이 가능한 물질
*산화물 반도체: 낮은 누설전류로 기존 실리콘의 한계를 극복할 수 있는 채널 물질
*셀 스트링(Cell String) 동작: 낸드플래시에서 여러 셀이 직렬로 연결된 구조를 통해 데이터를 읽고 쓰는 방식

특히 삼성전자 SAIT와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 순수 사내 연구 개발 성과라는 점에서도 의미가 크다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 네이처(Nature)에 ‘Ferroelectric transistors for low-power NAND flash memory’라는 제목으로 게재되며 기술적 완성도와 혁신성을 인정받았다.

약점이 강점이 되는 순간, 산화물 반도체의 숨겨진 구조에 주목하다

기존 낸드플래시는 셀에 전자를 주입하는 방식으로 데이터를 저장한다. 저장 용량을 늘리려면 셀의 개수, 즉 적층 단수를 늘리는 방식이 필수적이다. 그러나 직렬로 연결된 셀들을 순차적으로 거쳐 신호가 전달되는 낸드플래시의 구조적 특징 때문에 적층이 높아질수록 읽기·쓰기 전력 소모도 함께 증가하는 한계가 있었다. 그동안 강유전체 기반 차세대 낸드플래시에 대한 연구가 수차례 제안되었지만, 용량 증가와 전력 효율 저하의 상충관계는 여전히 해결되지 못한 과제로 남아있었다.

삼성전자 SAIT 연구진은 이 문제의 실마리를 산화물 반도체의 고유 특성에서 찾았다. 일반적으로 문턱 전압 제어의 한계로 고성능 소자에서는 약점으로 여겨졌던 이 특성이, 강유전체 기반 낸드플래시 구조에서는 오히려 기존 대비 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 요소로 작용한 것이다.

*문턱 전압: 트랜지스터가 켜지기 시작하는 전압

연구진은 산화물 반도체의 고유 특성을 강유전체 기반 낸드플래시와 융합해 기존 대비 셀 스트링(Cell String) 동작에서 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 핵심 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 현존 최고 수준인 셀당 5비트(bit)의 고용량을 확보하면서 전력 소모를 기존 대비 낮출 수 있는 가능성을 검증한 것이다.

기존 낸드플래시 구조에서는 한계로 여겨졌던 부분들이 물질 개발과 구조적 이해를 통해 새로운 가능성으로 전환된 것이다.

데이터센터부터 모바일까지 확장되는 초저전력 스토리지의 미래

해당 기술이 상용화되면 대규모 AI 데이터센터부터 모바일·엣지 AI 시스템까지 다양한 분야에서 전력 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 전력 소모가 감소하면 데이터센터 운영 비용 절감에 기여할 수 있으며, 모바일 기기에서는 배터리 사용 시간을 늘리는 효과를 기대할 수 있다.

이번 연구의 제1저자인 삼성전자 SAIT 유시정 연구원은 “초저전력 낸드플래시의 구현 가능성을 확인하게 되어 뿌듯하다”라며, “AI 생태계에서 스토리지의 역할이 더욱 커지고 있는데, 향후 제품 상용화를 목표로 후속 연구를 추진할 것”이라고 밝혔다.

AI 시대가 요구하는 저장 장치의 기준은 점점 높아지고 있다. 이번 연구가 보여준 진전은 스토리지 기술의 다음 단계를 향한 의미 있는 발걸음으로, 향후 후속 연구의 확장도 기대해 본다.

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삼성전자가 인공지능(Artificial Intelligence, 이하 AI)·컴퓨터 공학(Computer Engineering, 이하 CE) 분야 세계적 석학과 전문가를 초청해 11월 7일 수원컨벤션센터에서 ‘삼성 AI 포럼 2023’을 개최한다.

삼성전자는 이번 포럼을 통해 차세대 반도체 연구 역량 강화를 위한 AI와 CE 기술 연구 성과를 공유하고 향후 발전 방향을 논의할 예정이다.

2017년부터 시작된 ‘삼성 AI 포럼’은 올해 7회째를 맞아 삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology, 구 종합기술원) 주관으로 ‘더 나은 내일을 위한 초거대 AI(Large-scale AI for a Better Tomorrow)’를 주제로 진행된다.

삼성전자 경계현 대표이사 사장이 개회사를 진행하고, 캐나다 몬트리올 대학교 요슈아 벤지오(Yoshua Bengio) 교수와 캐나다 AI 반도체 스타트업 텐스토렌트(Tenstorrent) CEO 짐 켈러(Jim Keller)가 기조강연 한다.

일본 리켄 컴퓨터과학연구소의 사토시 마쓰오카(Satoshi Matsuoka), 미국 메타 AI 리서치랩 래리 지닉(Larry Zitnick)의 강연도 이어지며, SAIT의 AI·CE 연구 리더와 국내외 석학의 연구 현황과 비전도 공유된다.

AI 분야에서는 ‘LLM 및 산업용 AI의 변화(LLM and Transformation of AI for Industry)’에 대해 중점적으로 논의하며, CE 분야에서는 ‘LLM과 시뮬레이션을 위한 초거대 컴퓨팅(Large-scale Computing for LLM and Simulation)’을 세부 주제로 다룬다.

* LLM(Large Language Model, 대규모 언어 모델): 방대한 양의 텍스트 데이터로 학습해 자연어를 이해하고 생성하는 능력이 뛰어난 언어 모델

SAIT는 AI 분야 우수한 신진 연구자 발굴을 위한 ‘삼성 AI 연구자상’과 국내 대학·대학원생을 대상으로 진행한 ‘삼성 AI/CE 챌린지’ 대회 시상식도 개최한다.

이외에도 우수 논문 포스터 발표, 연구원 네트워킹 프로그램을 진행하여 AI·CE 분야 연구 생태계 활성화를 모색한다.

SAIT 진교영 사장은 “AI와 CE 기반의 차세대 반도체는 미래 인류 삶의 질을 높이는 핵심 기술로 SAIT는 글로벌 석학·전문가와 교류하며 삼성전자의 중장기 성장동력을 연구하고 있다”며 “이번 ‘삼성 AI 포럼’이 전세계 AI·CE 연구 생태계 확장을 가속화하길 기대한다”고 말했다.

이번 포럼 참가 신청은 12일부터 ‘삼성 AI 포럼 2023’ 홈페이지(https://saif2023.com/)를 통해 가능하며, 사전 질문을 등록할 수 있다.

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연구 논문에는 SAIT 임직원들이 제1저자와 교신저자, 공저자로 참여하였으며, DS부문 반도체연구소에서도 공저자로 여러 임직원들이 참여하였습니다. 이들의 연구 결과는 우수성을 인정받아 세계적인 학술지 Nature Electronics에도 게재되었습니다. 이 기술 개발의 배경은 무엇인지, 어떠한 의미를 갖는지에 대해 삼성전자 반도체 뉴스룸이 연구진을 만나 들어봤습니다.

Q. 이 기술을 연구하시게 된 이유는 무엇인가요?

최근 고성능의 AI 서비스 등이 확산됨에 따라 컴퓨팅 시스템에서 데이터의 연산·처리 기능을 하는 시스템 반도체의 성능이 더욱 중요해졌습니다. 반도체 업계는 시스템 반도체 성능을 향상시키기 위해, 계속해서 트랜지스터*를 미세화하고 집적도를 높이고 있는데요.

*트랜지스터: 반도체 칩을 이루는 기본 요소로 전류가 흐르는 ‘채널’과 채널에 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 ‘게이트’로 구성됨. 전류를 증폭하거나 스위치 역할을 해 이진법의 데이터를 만들어 냄.

트랜지스터의 게이트에는 전압이 걸리면 전하를 끌어 모으고 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는, 즉 누설 전류를 막는 절연막이 있습니다. 절연막은 반도체 칩의 미세화가 지속적으로 진행됨과 함께 두께가 얇아져 왔는데, 이로 인해 게이트 밖으로 전하가 터널링(tunneling) 되는 현상이 생기며 누설 전류가 증가하게 되었습니다.

이번에 공개한 SAIT의 연구는 절연막에 활용되고 있는 고유전 물질을 신소재인 강유전 물질로 대체하는 아이디어에 주목했습니다. 강유전 물질이 가진 특성을 이용하면 고유전 물질을 활용할 때와 비교해 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있고, 결과적으로 트랜지스터의 소비 전력을 크게 줄일 수 있습니다.

Q. 강유전, 고유전 물질이란 무엇인가요? 그리고 강유전 물질의 어떤 특성이 이용되었나요?

고유전(high-κ) 물질은 유전 상수(전압을 걸었을 때 물질 내에 얼마나 많은 전하가 유도되는지를 나타내는 값)가 큰 물질을 말합니다. 따라서 트랜지스터의 게이트 절연막으로 고유전 물질을 이용하면, 저유전 물질을 이용할 때 보다 소자를 동작시키는데 필요한 전압을 줄일 수 있기 때문에 소자의 소비 전력을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.

강유전(ferroelectric) 물질은 고유전 물질을 비롯한 일반적인 유전 물질과 다르게, 특정 전압(coercive voltage) 이상을 걸어주게 되면 물질 내에 자발적 전하 분극**이 발생하여, 걸어준 전압을 0 V 로 만들더라도 물질 내에 유도된 전하가 0 이 아닌 자발적 전하 분극만큼 그대로 남아 있게 됩니다. 이렇게 분극 상태가 유지되면 전원이 끊어져도 데이터를 보존할 수 있으며, 이러한 특성 때문에 그동안 비휘발성 메모리(non-volatile memory) 소자에 강유전 물질을 활용하는 연구들이 많이 있어왔습니다.

그런데 강유전 물질의 자발적 분극이 일어나지 않도록 조절하면, 강유전 물질이 음의 전기용량 특성(Negative Capacitance, 이하 NC)을 가지게 됩니다. 이렇게 NC 특성을 가지는 강유전 물질을 트랜지스터 게이트 구조에 이용하면, 정전 용량***이 고유전 물질 기반 구조에서 얻을 수 있는 이론적인 최대 값보다도 커져, 전력 효율을 크게 높일 수 있습니다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있습니다. 이 때문에 저전력으로도 높은 성능을 구현하는 트랜지스터를 구현할 수 있는 것입니다.

** 분극: 전기적 부도체 혹은 유전체에 외부에서 전기장을 걸어주었을 때, 물질 내부의 전하 분포가 전기장 방향으로 재배열 되는 현상

*** 정전 용량: 절연된 도체 간에서 전위를 주었을 때 전하를 축적할 수 있는 능력

Q. 이 기술이 적용되면 어떤 영향이 있을까요?

이번 연구에서는 앞서 설명한 강유전 물질의 음의 전기용량(NC) 효과를 실험적으로 측정하는데 성공했을 뿐 아니라, 이 효과를 활용한 트랜지스터인 NCFET(Negative Capacitance Field Effect Transistor)의 상용화 가능성을 세계 최초로 검증했습니다.

기존의 고유전 물질을 사용한 반도체와 비교할 때, 동일한 구조에서 소비 전력을 최대 33%까지 낮출 수 있음을 확인했고, NCFET이 동작하는 영역을 조절할 수 있는 방법도 최초로 찾아냈습니다. 또한, 1,000조 회 이상의 테스트를 통해 안정적인 동작을 확인함으로써 세계 최고 수준의 신뢰성을 증명했습니다. 이렇게 개발된 NCFET 기술은 FinFET과 GAA와 같은 3D 구조의 트랜지스터를 포함해, 모든 구조의 트랜지스터에 널리 활용될 수 있습니다. 또한 이번 NCFET을 구현할 때 기존의 반도체 공정에 많이 쓰이고 있는 물질들을 이용했기 때문에, 큰 비용의 증가 없이 기존의 반도체 기술과 접목할 수 있습니다.

삼성전자 SAIT 조상현 연구원(공동 1저자)은 “이번 연구는 강유전 물질의 NC 효과를 실험적으로 검증한 것과 더불어, 두께 미세화, 신뢰성 확보 및 NC 동작 범위 조절이 가능함을 동시에 확인하면서 차세대 저전력·고성능 시스템 반도체 소자에의 상용화 가능성을 확인했다는데 의미가 크다”며, “강유전체 박막 성장 및 소자 기술을 더욱 개선하여 당사 파운드리 사업에 핵심 미래 기술이 되기를 기대한다” 라고 말했습니다.

활발한 연구 활동과 혁신 기술 개발로 더 나은 미래를 열어가는 삼성전자의 모습, 계속 지켜봐주세요.

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삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)가 하나의 필터로 미세먼지와 유해가스를 동시에 제거하고, 간단한 물 세척만으로 최대 20년동안 사용할 수 있는 신기술을 개발했습니다.

기존에는 공기정화 시스템을 구성할 때, 미세먼지와 유해가스 제거를 위한 필터가 각각 필요해 공기정화 설비의 공간 효율을 높이는데 한계가 있었으며, 재사용이 어려워 6개월이나 1년에 한 번씩 교체가 필요했습니다.

삼성전자 SAIT 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 아산화동(Cu2O), 이산화타이타늄(TiO2) 등과 같이 빛을 이용하는 광촉매를 적용해 신개념 필터 기술을 구현하고 상용화 가능성을 입증했습니다.

이 기술이 상용화되면 공기정화 기기나 설비의 공간 효율을 높이고, 교체에 소요되는 유지비용 절감은 물론 필터 폐기물을 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.

새로운 필터 구조는 세라믹 소재의 다공성 공기정화 필터 입구에 무기물 소재의 막을 코팅해 미세먼지를 제거하고, 출구 통로에는 광촉매를 코팅해 유해가스를 제거합니다.

이로써 미세먼지와 유해가스 필터의 이중 구조가 단일화되고 먼지 포집 용량도 기존 고성능 헤파 필터(HEPA Filter)보다 4배(5g/L→20g/L) 가량 증가합니다.

※ 미국 냉난방공조학회(ASHRAE 52.2), 공기정화장치 미세먼지 제거 효율 측정 방법 기준 시험

또한 아산화동과 이산화타이타늄과 같이 방수 특성을 가진 소재가 적용돼 물 세척을 해도 성능이 유지된다. 물 세척을 통해 10회 재사용한다고 가정 시 20년 동안 사용할 수 있어 기존 헤파 필터 대비 수명이 최대 40배 가량 증가하는 셈입니다.

삼성전자는 이 기술을 적용한 시제품을 제작해 반도체 사업장 내 건물과 버스터미널, 지하주차장 등의 공조시설에 적용하고 성능을 검증할 계획입니다.

광촉매를 적용한 신개념 공기정화 필터 기술 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 15일(영국 현지시간) 게재됐습니다.

※ 논문명: Long-lifetime water-washable ceramic catalyst filter for air purification

(논문링크: www.nature.com/articles/s41467-023-36050-w)

삼성전자 SAIT 권혁재 연구원(교신저자 및 공동 1저자)은 “이번 연구는 필터 제조 업계 뿐만 아니라 실 사용자들의 경험과 요구사항을 적극 반영해 시작하게 됐다”며 “향후 공기정화 필터 재생 기술 관련 연구를 확장해 상용화 시기를 앞당길 것”이라고 말했습니다.

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