삼육대 양민규 교수팀, CPU-GPU 통신 병목 해소할 차세대 AI 메모리용 제어 소자 개발

삼육대학교는 인공지능융합학부 인공지능반도체공정연구실 양민규 교수 연구팀이 차세대 고성능 컴퓨팅 환경의 핵심 기술로 주목받는 고속 통신 규약인 CXL(Compute Express Link) 메모리에 적합한 셀렉터-온리 메모리(Selector-Only Memory, SOM·선택기 전용 메모리) 소자를 개발하고 대규모 어레이 수준에서의 안정적인 동작을 실증했다고 22일 밝혔다.

SOM은 전류 특성에서는 휘발성을 유지하면서도 임계전압(Vth)을 비휘발적으로 조절할 수 있는 구조로, 고집적·저전력 특성이 요구되는 차세대 메모리 환경에 적합한 기술로 평가된다.

연구팀은 칼코게나이드(GSST) 박막 기반 SOM 소자를 구현해 기존 메모리 구조에서 필수적으로 요구되던 별도의 셀렉터 소자를 제거하면서도 안정적인 메모리 동작이 가능함을 입증했다.

특히 SOM의 동작 메커니즘을 정밀 분석해 임계전압 변화가 기존에 알려진 이온 이동이 아닌 전자 트랩 깊이 변화로 발생함을 규명했다. 이는 SOM의 근본적인 작동 원리를 명확히 제시한 결과로, 향후 소재와 공정 최적화, 소자 신뢰성 향상 연구를 위한 중요한 이론적 기반을 제공한다.

연구팀은 개발한 SOM 소자를 4k(64×64 배열) 크로스바 어레이로 집적해 △2×10⁷회 이상의 내구성 △85℃ 조건에서의 안정적인 데이터 유지 △95% 이상의 어레이 동작 수율을 실증했다.

또한 단일 소자에서 3비트(8상태) 멀티비트 동작을 구현해 저장 밀도를 획기적으로 향상할 수 있음을 보여줬다. 이는 CXL 기반 저장계층메모리(Storage Class Memory)와 메모리 풀링 구조로의 확장 가능성을 실험적으로 입증한 성과로 평가된다.

이번 연구 성과는 CXL 이후 세대를 대비한 유력한 차세대 메모리 소자 기술 후보로 주목받고 있다. 향후 인공지능(AI) 가속기용 메모리, 컴퓨트-인-메모리(CIM), 뉴로모픽 시스템 등 다양한 차세대 반도체 응용 분야로 확장이 기대된다.

양민규 교수는 "차세대 메모리 기술은 단순한 저장 소자를 넘어 컴퓨팅 구조 전반의 패러다임 변화를 요구한다"며 "이번 연구는 고집적·저전력·확장성이 동시에 요구되는 차세대 메모리 환경에서 적용 가능한 소자 기술의 방향성을 제시한 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료·전자소자 분야의 세계적인 리뷰 저널 '머티리얼즈 사이언스 & 엔지니어링-R(Materials Science & Engineering R·재료과학 및 공학 R)'에 1월자로 공식 게재됐다. 이번 연구에는 연세대 시스템반도체공학과 김건환 교수 연구팀, 서울대 재료공학과 박민혁 교수 연구팀이 함께 참여했다. 서현규 연구원이 제1저자, 양민규 교수가 교신저자로 각각 참여했다. 서 연구원은 현재 서울대 재료공학과 박사과정에서 연구를 이어가고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 나노·소재 분야 국가연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.