Ni₄W 메모리 혁신, 자석 없는 스위칭 구현

최신 기술 발전은 빅데이터, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등 다양한 분야에서 방대한 데이터를 수집하고 처리합니다. 이를 위해 높은 전력 효율성, 저지연 데이터 전송, 고속 처리가 필요합니다. 

여기서 고성능 컴퓨팅(HPC)의 발전은 데이터 처리 능력을 향상시키는 데 핵심이며, 이를 위해 병렬 처리, 강력한 하드웨어, 정교한 소프트웨어를 활용합니다.

하지만 메모리 접근이 병목 현상이 되는 경우가 많아 이러한 요구에 부합하는 메모리 기술에 대한 강력한 필요성이 생깁니다.

메모리 기술은 데이터에 접근하고, 저장하며, 변경할 수 있게 합니다. 여기서 정보는 비트들의 집합으로 표현되며, 각 비트는 0 또는 1(또는 true와 false) 중 하나입니다.

이상적으로 메모리는 읽기·쓰기 시간이 거의 없고, 전력 소모가 적으며, 차지하는 공간이 미미하고, 저장된 값을 무한히 유지합니다. 그러나 실제로는 이러한 이상적인 조건을 모두 만족하는 메모리 기술은 없습니다. 각 기술마다 고유한 장점과 단점이 있으며, 최고의 메모리 기술은 존재하지 않습니다.

메모리 기술은 주로 두 가지 범주로 나뉩니다: 

• 휘발성
• 비휘발성

이는 셀 설계에 기반합니다. 셀은 메모리의 기본 단위이며, 실제로는 메모리 ‘셀’들의 ‘배열’이며, 각 셀은 하나의 비트를 저장하고, 단일 셀의 특성이 전체 배열의 특성을 반영합니다.

휘발성 메모리는 전원이 공급되는 동안 작동하며 전원이 꺼지면 저장된 정보를 잃습니다. 따라서 이 유형의 메모리는 데이터를 일시적으로 저장하는 데 사용할 수 있습니다.

반대로 비휘발성 메모리는 전원이 차단되어도 저장된 값을 유지합니다. 이러한 메모리에는 정교한 반도체 기술이 적용되며, 제조가 더 어렵고 전자적으로 쓰기가 까다롭습니다.

시장에서 보다 정교한 메모리 기술이 점점 더 많이 제공됨에 따라, 이 두 메모리 범주 간의 구분이 점점 흐려지고 있습니다.

메모리 기술의 혁신

메모리 기술은 다양한 전자 장치와 시스템의 작동 및 성능에 중요하며, 컴퓨터와 기타 장치가 필요한 정보를 저장하고 검색할 수 있게 해줍니다. 따라서 연구자들은 이를 보다 효율적으로 만들기 위한 새로운 방법을 지속적으로 탐구해 왔습니다.

수년에 걸쳐 여러 혁신이 기술을 혁신시켰습니다. 현재 RAM 및 저장 솔루션의 한계를 극복하기 위해, 지속적인 연구는 더 빠르고 에너지 효율이 높은 컴퓨팅을 추진하며 AI 및 뉴로모픽 컴퓨팅과 같은 분야에서 새로운 응용을 가능하게 하고 있습니다.

PCM 및 저전력 혁신

이 분야의 주요 진전 중 일부는 RAM의 속도와 플래시 저장의 비휘발성을 결합한 단일 메모리 유형을 만들기 위한 새로운 PCM(상변화 메모리) 소재입니다.

PCM 분야에서 지난해 말, 과학자들은 PCM의 에너지 요구량을 최대 10억 배 낮추는 새로운 기술을 발견했습니다.¹

“상변화 메모리 장치가 널리 사용되지 못한 이유 중 하나는 필요한 에너지 때문입니다,” 라고 펜 엔지니어링의 재료 과학 및 공학 교수인 Ritesh Agarwal은 말했습니다. 이는 이 새로운 기술의 발견이 저전력 메모리 장치를 설계하는 데 “엄청난” 잠재력을 가지고 있음을 의미합니다.

이 발견은 인듐 셀레나이드(In2Se3)의 고유한 특성에 의존합니다. 이 반도체 물질은 압전(전하에 노출될 때 물리적으로 변형되는) 및 강유전(외부 전하 없이 내부 전기장을 생성할 수 있는) 특성을 모두 나타냅니다.

인듐 셀레나이드를 지속적인 전류에 노출시켰을 때, 연구자들은 일부가 비정질화되어 결정 구조가 파괴되는 현상을 관찰했으며, 이는 “이러한 모든 특성이 결합될 때 물질에서 발생할 수 있는 구조 변형에 대한 새로운 분야를 열었다”라고 설명했습니다.

다중강유전체 및 효율적인 데이터 저장

강유전 및 강자성 특성을 모두 갖는 다중강유전체 물질은 비파괴 데이터 저장을 위해 연구자들에 의해 탐구되고 있습니다. 

그러한 물질 중 하나는 코발트가 치환된 BiFeO3(BiFe0.9Co0.1O3, BFCO)이며, 강한 자기전기 결합을 보여 데이터 쓰기를 에너지 효율적으로 할 수 있습니다. 지난해, 도쿄공업대학 연구진은 단일 강유전 및 강자성 도메인을 가진 BFCO 나노점들을 개발했습니다.²

올해, 연구진은 연구를 기반으로 방향성 박막에서 실제 스위칭 기능을 입증하는 데 성공했습니다. 이 동적 제어는 보다 장치 호환성이 높은 형태에서 전기장 구동 자기 전환을 실제로 보여줍니다.³

강유전체 솔루션 및 새로운 메모리 설계

칩렛 기술은 여러 개의 작은 칩(칩렛)을 기판에 장착하여 연결함으로써 메모리 대역폭과 밀도를 높이는 또 다른 접근 방식입니다. 한편, NAND 플래시와 DRAM 기술의 발전은 더 작은 공정 노드로 진행되고 있으며, 대역폭 및 전력 효율성 향상에 초점을 맞추고 있습니다.

NAND 플래시 메모리는 셀을 3D 구조로 적층하여 동일한 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있기 때문에 대량 데이터 저장에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 그러나 데이터 저장에 전하 트랩을 사용하므로 작동 전압이 높고 속도가 느립니다.

이에 대한 유망한 해결책은 하프니아(산화 하프늄) 기반 강유전체 메모리이지만, 데이터 저장 용량이 제한적이라는 과제가 있습니다.

포항공대 팀은 알루미늄을 도핑하여 강유전체 물질의 문제를 해결했으며, 고성능 강유전체 박막을 만들었습니다. 또한 기존의 MFS 구조 대신 혁신적인 금속‑강유전체‑금속‑강유전체‑반도체(MFMFS) 구조를 적용했습니다.

이를 통해 층의 두께와 면적 비율 등 요소를 미세 조정하여 각 층의 전압을 성공적으로 제어할 수 있었습니다. 그 결과, 기존 장치의 2V에 비해 10V를 초과하는 메모리 윈도우를 달성했습니다.

스핀‑오빗 토크 및 자기 메모리 진화

양자 컴퓨팅도 미래의 더 강력하고 효율적이며 다재다능한 컴퓨팅 장치를 위한 신기술로 큰 주목을 받고 있습니다.quantum computing

그 외에도 전류를 이용해 자기 상태를 전환하고 고속·저전력을 구현하는 에너지 효율적인 스핀‑오빗 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(SOT‑MRAM)가 있습니다.

올해 초, JGU 물리학 연구소 팀은 SOT‑MRAM 기반 혁신을 발표했으며, 이는 에너지 소비를 50% 이상 감소시키고 효율을 30% 향상시킬 잠재력을 보여줍니다. 또한 데이터 저장을 위한 자기 스위칭에 필요한 입력 전류를 20% 줄이고, 데이터 저장 수명을 보장하는 열 안정성을 달성했습니다.⁵

광학 및 자기광학 메모리

빛과 자석을 이용해 광학 메모리 칩을 제어하는 것은 처리 속도와 효율성을 향상시키는 또 다른 방법입니다.

한 연구에서 과학자들은 실리콘 포토닉 플랫폼 위에 프로그래머블 광학 래치를 설계했습니다. 시스템의 각 메모리 유닛은 자체 광원에 의해 구동되어 여러 유닛이 독립적으로 동작할 수 있습니다. 이는 광 파워 손실로 인한 신호 저하를 방지하여 대규모 시스템에 더 확장 가능한 구조를 만들었습니다.

“대형 언어 모델인 ChatGPT는 학습과 답변 생성을 위해 반복적으로 수행되는 수많은 간단한 수학 연산(곱셈 및 덧셈 등)에 의존합니다.”

전체 규모의 광학 컴퓨터는 아직 몇 년 남았지만, 이 광학 메모리는 그 방향으로의 중요한 단계입니다.

한편, 또 다른 팀은 세륨이 치환된 이트륨 철 가넷(Ce:YIG)을 이용한 새로운 자기광학 메모리 기술을 선보였습니다. 이 물질은 자기장에 노출될 때 조정 가능한 광학 특성을 보입니다. 미세 자석을 삽입함으로써 연구진은 빛 전파의 변화를 통해 데이터를 저장하고 조작할 수 있었습니다.

이렇게 하여 그들은 기존의 고급 포토닉 집적 기술보다 100배 빠른 스위칭 속도와 약 1/10 수준의 전력 소비를 갖는 새로운 유형의 자기광학 메모리를 도입했습니다. 자기광학 메모리는 23억 회 이상 재기록이 가능합니다.

Ni₄W: 필드 없는 자기화 달성

미네소타 대학교 트윈 시티스 연구진이 메모리 기술에서 새로운 성과를 발표했습니다. 

동료 검토 과학 저널 Advanced Materials에 발표된 이 연구는 니켈과 텅스텐의 합금인 Ni₄W를 사용한 개발을 상세히 다루었습니다. 이 금속은 자석 없이도 자기성을 전환할 수 있어 차세대 전자 제품에 활용될 가능성을 보여줍니다.

팀이 장치에서 자기화를 제어하기 위한 스핀 전류를 생성하는 방식을 선보임으로써, 이 연구는 더 저렴하고 빠르며 효율적인 컴퓨터 메모리와 논리 장치의 가능성을 열었습니다.

자석 없이 금속의 자기성을 전환하기

신흥 메모리 기술에 대한 수요가 증가함에 따라, 연구자들은 기존 메모리 솔루션을 대체할 수 있는 다양한 방안을 활발히 탐구하고 있으며, 이는 일상 기술의 기능을 향상시키면서 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

그래서 미네소타 대학 연구진은 컴퓨터 메모리를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들기 위해 새로운 물질에 주목했습니다.

이 물질은 니켈‑텅스텐 합금으로, 높은 밀도, 강도, 내마모·내식성을 가진 물질군입니다. 이러한 합금에서는 금속의 구체적인 조성이 특성에 영향을 미칩니다.

이번 연구에서 연구진은 강력한 자기 제어 특성을 보이는 Ni₄W를 사용했습니다.

Ni₄W를 선택하기 위해 팀은 먼저 I4/m 공간군 내에서 안정적인 상을 가진 후보 물질을 물질 데이터베이스에서 검색한 뒤, 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 수행했습니다. 이 계산은 큰 이론적 SOT 효율을 보이고 Ni‑W 이원 금속계의 기본 상태임을 확인하여 Ni₄W가 가장 유망한 후보임을 밝혀냈습니다.

팀은 Ni₄W (100)과 Ni₄W (211) 모두에서 비전통적인 스핀 홀 전도도(USHC)의 존재를 확인했지만, 후자가 더 높은 SOT 효율을 보여 앞보다 우수했으므로 실험을 후자에 집중했습니다.

“이론 계산에 따르면 Ni₄W (211) 결정 방향이 USHC에 가장 최적에 가깝습니다,” 라고 연구는 언급했으며, 이 육각형 유사 격자 구조가 실험적으로 성장시키기 쉽다고 덧붙였습니다.

이 물질은 컴퓨터 메모리를 더 빠르게 만들고 전자 장치의 에너지 사용을 크게 줄일 수 있습니다. 연구진은 이 기술에 대한 특허를 확보했습니다.

“Ni₄W는 데이터 쓰기 전력을 감소시켜 전자 제품의 에너지 사용을 크게 절감할 수 있습니다,” 라고 논문의 공동 1저자인 Jian-Ping Wang 교수는 말했습니다. 그는 미네소타 대학 전기·컴퓨터 공학부의 저명한 McKnight 교수이자 Robert F. Hartmann 교수 자리입니다.

전통적인 물질과 달리, 낮은 대칭성을 가진 Ni₄W는 ‘필드 없는’ 스위칭을 가능하게 합니다. 이는 외부 자석 없이도 물질이 자기 상태를 전환할 수 있음을 의미합니다. 다방향 스핀 전류를 생성함으로써 Ni₄W는 외부 자기장 없이도 자기 상태를 전환할 수 있습니다.

그들의 연구는 이 물질에 대한 새로운 통찰을 제공하고, 니켈과 텅스텐의 조합을 이용해 소형 전자 장치에서 자기화를 제어하는 보다 효과적인 방식을 제시합니다.

연구에 따르면, 연구진은 Ni₄W가 차세대 메모리 기술에서 자기성을 조작하는 방법인 강력한 스핀‑오빗 토크(SOT)를 생성한다는 것을 발견했습니다.

SOT는 전자의 고유 스핀과 전하를 모두 활용하여 정보를 저장·조작하는 스핀트로닉 장치를 효율적으로 제어할 수 있는 신흥 기술입니다.

이 메커니즘은 스핀‑오빗 결합(SOC)의 효과, 예를 들어 이상 홀 효과(AHE), 스핀 홀 효과(SHE), 라시바 효과 등에서 비롯되며, 효율성과 속도 면에서 우수한 성능을 보입니다.

SOT는 외부 자기장이 없어도 영구적인 자기화와 영구적인 자기 모멘트를 가진 강자성 물질의 자기화를 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 제공하지만, 기존의 무거운 금속 및 위상 절연체와 같은 SOT 물질은 높은 결정 대칭성 때문에 제한을 받습니다.

그 결과, 연구자들은 낮은 대칭성을 가진 물질을 사용하거나 외부 자기장을 이용해 높은 대칭성을 깨고 비전통적인 스핀 전류를 생성하여 수직 자기화의 필드 없는 결정적 스위칭을 가능하게 합니다.

진전에도 불구하고, 이러한 물질들의 SOT 효율은 여전히 낮아 실용적 적용에 제한이 있습니다. 그러나 새로운 물질은 실온에서 0.3이라는 높은 SOT 효율을 보여 이와는 다릅니다.

“우리는 Ni₄W 자체와 텅스텐과 층을 이루었을 때 모두에서 다방향 높은 SOT 효율을 관찰했으며, 이는 저전력·고속 스핀트로닉 장치에 활용될 강력한 잠재력을 시사합니다.”

– 논문의 공동 1저자 Yifei Yang, Wang 그룹의 5년 차 박사과정 학생

W/Ni₄W (5 nm)에서도 0.73이라는 높은 SOT 효율이 관찰되었지만, 이는 외부 효과에 기인할 수 있습니다.

특히, 이 새로운 물질은 일반적인 금속으로 만들어져 표준 산업 공정을 통해 제조할 수 있습니다. 이러한 제조 용이성은 비용을 낮추어 Ni₄W를 산업 파트너에게 매력적으로 만듭니다.

이는 이 기술이 스마트폰 및 스마트워치와 같은 일상 제품에 쉽게 적용될 수 있음을 의미합니다.

“우리의 계산이 물질 선택과 SOT 실험 관찰을 확인한 것에 매우 흥분됩니다.”

– 논문의 공동 1저자 Seungjun Lee, 전기·컴퓨터 공학부의 박사후 연구원

따라서 연구는 Ni₄W가 에너지 효율적인 스핀트로닉 장치를 위한 유망한 비전통적 SOT 물질임을 확인했습니다. 저비용으로 생산할 수 있어 스마트폰 및 데이터 센터와 같은 장치에 널리 적용될 수 있으며, 전자 제품의 미래를 더욱 스마트하고 지속 가능하게 만들 것입니다.

다음 단계에서는 팀이 이전 작업보다 더 작은 장치로 이 물질들을 성장시킬 예정입니다.

메모리 기술에 투자하기

Micron Technology (MU ), DRAM, NAND 및 고대역폭 메모리 솔루션의 선두 기업은 AI 워크로드를 위한 차세대 메모리(HBM 등)에 대규모 투자를 진행하고 있습니다. 앞으로 이 회사가 상용화될 경우 스핀트로닉 또는 SOT 기반 메모리와 같은 새로운 솔루션을 통합할 것으로 기대됩니다.

Micron Technology (MU )

시가총액 1,267억 달러를 가진 MU 주식은 현재 112.78달러에 거래되고 있으며, 올해 현재까지 34.54% 상승했습니다. EPS(TTM)는 5.52이며, P/E(TTM)는 20.53입니다. 주주가 받을 수 있는 배당 수익률은 0.41%입니다.

회사 재무 상황에 대해, 2025 회계연도 3분기(2025년 5월 29일 종료) 매출은 93억 달러로, 전 분기 대비 15.5% 증가했으며 전년 동기 대비 36.5% 증가했습니다.

해당 기간의 GAAP 순이익은 18.9억 달러(희석 주당 1.68달러)였으며, 비GAAP 순이익은 21.8억 달러(희석 주당 1.91달러)였습니다. 영업 현금 흐름도 46.1억 달러로 증가했습니다.

Micron은 현금, 유가증권 및 제한 현금 합계 122억 달러를 보유한 채 분기를 마감했습니다.

CEO Sanjay Mehrotra는 사상 최고 수준의 DRAM 매출이 기록 매출을 견인했으며, HBM 매출은 전 분기 대비 거의 50% 성장했다고 언급했습니다. 데이터 센터 매출도 분기 사상 최고치를 기록했으며, 소비자 중심 시장도 강력한 순차 성장세를 보였습니다.

“우리는 2025 회계연도에 견고한 수익성과 자유 현금 흐름을 바탕으로 사상 최고 매출을 달성할 궤도에 있으며, AI 기반 메모리 수요 증가에 대응하기 위해 기술 리더십과 제조 우수성을 기반으로 신중한 투자를 진행하고 있습니다.”

– CEO Sanjay Mehrotra

이와 동시에, 회사는 HBM3E 36GB 12‑high 제품이 AMD의 차세대 GPU(Instinct™ MI350 시리즈)에 통합될 예정이라고 발표했으며, 이는 대규모 AI 모델 학습 및 데이터 처리·계산 모델링과 같은 복잡한 HPC 워크로드에 필수적입니다.

Micron은 또한 미국 내 메모리 제조 및 연구개발을 포함한 2,000억 달러 규모의 확장 계획을 발표했으며, 이는 9만 개의 직접·간접 일자리를 창출할 것으로 예상됩니다. 동시에 CHIPS 법안에 따라 2억 7,500만 달러의 직접 자금을 확보했습니다.

최신 Micron Technology (MU) 주식 뉴스 및 개발

메모리 기술 미래에 대한 최종 생각

메모리 기술은 계속 진화하며 현대 컴퓨팅의 기반을 재구성하고 있습니다. 상변화 혁신부터 스핀트로닉 돌파구까지, 이러한 모든 발전은 AI, 빅데이터 및 차세대 소비자 전자 제품을 위한 더 빠르고 에너지 효율적이며 확장 가능한 솔루션을 약속합니다.

필드 없는 자기 전환을 구현한 Ni₄W 합금의 최신 발견은 비용 효율성과 고성능 메모리 솔루션 사이의 격차를 메우는 게임 체인저가 될 수 있으며, 향후 몇 년 내에 주류 전자 제품에서 스핀‑오빗 토크 메모리의 광범위한 채택을 가능하게 할 것입니다.

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참고문헌:

1. Modi, G.; Parate, S. K.; Kwon, C.; Han, S. H.; Kim, Y.; Wang, X.; Lee, S.; Wu, L.; Kwon, J.; Kim, K.; Zhang, Y.; Milliron, D. J.; Duerloo, K.-A. N.; Kim, M. J.; Jeong, Y.; Park, J. 전기 구동 장거리 고체 상태 비정질화 in Ferroic In₂Se₃. Nature, 635, 847–853 (2024). 게시일 online 2024년 11월 6일. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8
2. Ozawa, K.; Nagase, Y.; Katsumata, M.; Shigematsu, K.; Azuma, M. 투명 페로브스카이트 산화물에서의 자기광학 효과에 대한 전기장 제어. ACS Applied Materials & Interfaces, 16 (16), 20930–20936 (2024). 게시일 online 2024년 4월 24일. https://doi.org/10.1021/acsami.4c01232
3. Itoh, T.; Shigematsu, K.; Das, H.; Meisenheimer, P.; Maeda, K.; Lee, K.; Manna, M.; Reddy, S. P.; Susarla, S.; Stevenson, P.; Ramesh, R.; Azuma, M. (110) 방향, 단일 상, 다중강유전체 코발트 치환 BiFeO₃ 박막에서 전기장 구동 반강자성 전환. Advanced Materials, published online April 28, 2025, e2419580. https://doi.org/10.1002/adma.202419580
4. Kim, I.–J.; Lee, J.–S.; … Lee, J.–S. 하프니아 기반 강유전체 트랜지스터에서 대형 메모리 윈도우와 16단계 셀당 데이터 메모리 연산 구현. Science Advances, published online 2024년 6월 7일, 10 (23): eadn1345. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn1345
5. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Ledesma‑Martín, J. O.; Bose, A.; Kononenko, I.; Martin, S.; Usé, P.; Jakob, G.; Drouard, M.; Kläui, M. 스핀‑오빗 토크 MRAM에서 궤도 홀 효과 활용. Nature Communications, 16, 130 (2025). Received 18 2024년 9월; Accepted 12 2024년 12월; 게시일 2 2025년 1월. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
6. Goto, T.; Onbaşli, M. C.; Ross, C. A. 단일 포토닉 집적 회로를 위한 열 예산 감소된 세륨 치환 이트륨 철 가넷 필름의 자기광학 특성. Optics Express, 20 (27), 28507–28517 (2012). Received 24 2012년 10월; Revised 20 2012년 11월; Accepted 21 2012년 11월; 게시일 online 2012년 12월 10일. https://doi.org/10.1364/OE.20.028507
7. Pintus, P.; Dumont, M.; Shah, V.; Murai, T.; Shoji, Y.; Huang, D.; Moody, G.; Bowers, J. E.; Youngblood, N. 광학 인‑메모리 컴퓨팅을 위한 초고내구성 통합 비상호성 자기광학. Nature Photonics, 19, 54–62 (2025). Received 18 2024년 1월; Accepted 14 2024년 9월; 게시일 23 2024년 10월. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1
8. Yang, Y.; Lee, S.; Chen, Y. C.; Jia, Q.; Dixit, B.; Sousa, D.; Odlyzko, M.; Garcia‑Barriocanal, J.; Yu, G.; Haugstad, G.; Fan, Y.; Huang, Y. H.; Lyu, D.; Cresswell, Z.; Liang, S.; Benally, O. J.; Low, T.; Wang, J. P. Ni₄W에서 다방향 스핀 성분을 갖는 대형 스핀‑오빗 토크. Advanced Materials, published online May 15, 2025, e2416763. https://doi.org/10.1002/adma.202416763