고온 메모리 저장, 최신 돌파구로 실현에 한 걸음 더 가까워지다

초고온 전자기기

인류가 기술을 지속적으로 발전시키면서 점점 더 극한 환경, 특히 고열에 직면하고 있습니다. 이는 복합 세라믹이나 tungsten, titanium, 또는 rhodium와 같은 특수 희귀 금속으로 자주 해결됩니다(각 금속에 대한 자세한 투자 가이드는 링크를 참고하십시오).

극한 환경을 다루는 일은 전자 부품이 관여하면 더욱 복잡해집니다. 로켓의 티타늄 외피는 열을 견딜 수 있지만 장기적으로 열이 내부로 들어오는 것을 차단하지는 못합니다.

대부분의 컴퓨터 칩은 나노미터 규모에서 복잡한 연산을 수행하도록 설계되어 온도 변화에 매우 민감합니다. 일부 내열 처리가 가능하지만, 일정 온도 한계를 넘으면 기존 전기 회로는 더 이상 작동하지 않습니다.

우주선, 원자력 발전소, 또는 시추 시스템의 전자 제어 장치를 유지하기 위해, 첨단 냉각 시스템을 사용해 전자 부품을 주변 환경으로부터 보호합니다.

이러한 이유로, 1100°F(600°C) 이상의 온도, 즉 강철의 녹는 온도에서도 정보를 저장하고 기록할 수 있는 새롭게 개발된 디지털 메모리 형태는 게임 체인저가 될 수 있습니다.

미시간 대학교와 샌디아 국립 연구소 연구원들의 이 성과는 과학 저널 ‘Device’에 “Nonvolatile electrochemical memory at 600°C enabled by composition phase separation¹”라는 제목으로 발표되었습니다.

산소 기반 메모리

이 메모리 방식은 전자 대신 음전하를 띤 산소 원자를 이동시켜 작동합니다. 300°F(150°C) 이상에서는 기존의 실리콘 기반 반도체가 통제할 수 없는 전류를 흐르게 됩니다.

그 결과, 전통적인 전자 장치에서는 고온이 메모리의 정보를 소멸시킬 수 있습니다. 그러나 산소 이온은 열의 영향을 받지 않습니다.

작동 원리

산소 원자는 메모리 내의 두 층, 즉 반도체 탄탈럼 산화물 층과 금속 탄탈럼 층 사이를 이동합니다.

출처: Cell Device

이 움직임은 고체 전해질에 의해 허용되며, 이는 다른 전하가 층 사이를 이동하지 못하도록 장벽 역할을 합니다. 탄탈럼과 탄탈럼 산화물 층은 석유와 물처럼 섞이지 않아 전압이 전환될 때까지 원래 상태로 되돌아가지 않습니다.

산소 이온은 세 개의 플래티넘 전극에 의해 유도됩니다.

이는 실제로 배터리가 충전·방전되는 방식과 매우 유사하지만, 이 과정은 화학 에너지 대신 정보 구조의 보존을 최적화합니다.

출처: Cell Device

정보 상태는 1100°F 이상에서 24시간 이상 저장될 수 있습니다.

단지 초기 단계일 뿐

이 과학 논문은 실질적으로 개념 증명에 가깝습니다. 초기 장치는 하나의 비트만 저장하지만, 훨씬 큰 메모리 용량에 대한 이론적 한계는 없습니다.

“지금까지 우리는 하나의 비트를 저장하는 장치를 만들었으며, 이는 다른 고온 컴퓨터 메모리 시연과 동등합니다. 더 많은 개발과 투자가 이루어진다면 이론적으로 메가바이트 또는 기가바이트 수준의 데이터를 저장할 수 있을 것입니다.”
Yiyang Li – U-M 재료 과학 및 공학 조교수

그 자체로 이 기술은 재기록이 가능한 고온 메모리를 위해 개발된 다른 소재들(예: 강유전체 메모리 및 다결정 플래티넘 전극 나노갭)과 성능 면에서 비교적 유사합니다.

하지만 몇 가지 독특한 장점이 있어 개선 가치가 더 높아 보입니다:

• 일부 주요 대안보다 낮은 전압으로 동작할 수 있습니다.
• 인메모리 컴퓨팅을 위해 더 많은 아날로그 상태를 제공할 수 있습니다.
  • 산소 구배를 정밀하게 제어하면 메모리 내부에서 100개 이상의 저항 상태를 활용한 컴퓨팅이 가능해져 단순 이진 방식보다 더 많은 상태를 구현할 수 있습니다.
• 인메모리 컴퓨팅이 가능해져, 기존 실리콘 기반 칩을 추가하지 않고도 메모리 자체에서 간단한 계산을 수행할 수 있습니다.

고온 AI?

이와 같은 복잡한 데이터 인코딩을 갖춘 아날로그 용량은 단순한 0과 1의 이진 방식보다 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

이는 고온 환경에서 AI 기술에 가까운 어떤 것을 사용하든 게임 체인저가 될 수 있습니다. 기존 컴퓨팅은 전력 소모가 많아 자체적으로 열을 발생시키며, 일반 조건에서 다루기 어려운 경우가 많습니다. 500-600°C 조건에서 이를 구현하는 것은 거의 불가능에 가깝습니다.

“극한 환경에서 모니터링을 개선하기 위해 AI를 활용하려는 관심이 많지만, 이는 많은 전력을 소모하는 강력한 프로세서 칩을 필요로 하며, 이러한 환경은 종종 엄격한 전력 예산을 가지고 있습니다.

인메모리 컴퓨팅 칩은 AI 칩에 도달하기 전에 일부 데이터를 처리하여 장치 전체의 전력 사용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

Alec Talin – 샌디아 국립 연구소 화학·연소·재료 과학 부서의 선임 과학자

제한 사항

이 기술의 주요 제한점은 고온에서만 작동한다는 것입니다. 새로운 정보를 기록하려면 장치를 500°F(250°C) 이상의 온도에서만 사용할 수 있습니다.

따라서 메모리를 고온과 저온 모두에서 사용해야 한다면 심각한 문제가 될 수 있습니다. 연구진은 저온에서도 작동해야 하는 장치를 위해 히터를 사용하면 문제를 해결할 수 있다고 제안했지만, 이는 이상적인 해결책은 아닐 것으로 보입니다.

응용 분야

이러한 고온 메모리 및 전자 시스템은 극한 환경에서 데이터 측정 및 계산에 이상적입니다.

예를 들어:

• 항공우주 공학: 제트 엔진 내부와 같이 온도가 매우 높은 경우, 이 메모리 기술은 광범위한 냉각 시스템 없이도 온보드 데이터 로깅 및 실시간 모니터링 시스템을 신뢰성 있게 작동하도록 할 수 있습니다.
• 에너지 부문: 지열 에너지 추출은 높은 지하 온도에 노출되는 장비를 포함합니다. 이 내열 메모리를 적용하면 다운홀 모니터링 기기의 내구성과 효율성을 향상시켜 자원 관리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있습니다.
• 산업 제조: 금속 단조 및 유리 생산과 같은 공정은 높은 온도에서 진행됩니다. 이 메모리 기술을 제어 시스템에 통합하면 공정 모니터링 및 자동화가 개선되어 가동 중지 시간과 유지보수 비용을 줄일 수 있습니다.
• 우주 탐사: 금성처럼 극한 표면 온도를 가진 행성에서는 기존 전자 장치가 실패합니다. 이 기술은 그러한 가혹한 조건에서도 장기간 임무를 수행할 수 있는 탐사선 및 로버 개발을 촉진하여 탐사 역량을 확대할 수 있습니다.
• 핵 에너지: 구성 요소가 강렬한 열과 방사선에 노출됩니다. 이 견고한 메모리를 활용하면 원자로 모니터링 시스템의 내구성과 수명이 향상되어 보다 안전하고 효율적인 에너지 생산에 기여할 수 있습니다.

탄탈럼 전자 회사

Vishay Intertechnology

탄탈럼 기반 전자 제품이 항공우주 및 지열 에너지와 같은 첨단 기술에서 고온 조건에 새로운 적용 분야를 찾음에 따라, 이 분야의 현재 선두 기업들은 장기적으로 혜택을 받을 수 있습니다.

Tantalum is currently mostly used for capacitors, 매우 얇은 유전체 층을 가능하게 하며, 작은 케이스 크기에서도 높은 정전 용량 값을 제공합니다.

Vishay는 자동차, 군사, 휴대용 소비자 기기, 의료 기기 및 기타 다양한 분야에서 사용할 수 있는 표면 실장형 및 스루홀형 탄탈럼 커패시터를 제공합니다.

출처: Vishay

이 회사는 전력 전자(실리콘 카바이드)와 기타 전자 부품도 생산합니다: 다이오드, MOSFET(금속산화물반도체 전계효과 트랜지스터), 광전 센서, 저항기, 자석 및 기타 유형의 커패시터.

가장 큰 매출 카테고리는 저항기, MOSFET, 그리고 다이오드입니다.

이는 Vishay에게 “세계 최대 규모의 개별 반도체 및 수동 부품 포트폴리오”를 제공합니다.

출처: Vishay

회사의 매출 대부분은 아시아(39%)와 유럽(35%)에서 발생하며, 제조 시설은 북미, 아시아 및 유럽에 위치하고 있습니다.

전자 재료로 만든 전자 제품을 생산하는 회사의 전문성은 산업이 실리콘 칩을 넘어 새로운 소재로 확장함에 따라 자산이 될 것입니다.

회사는 현재 구조조정 프로그램을 진행 중이며, 2026년 말까지 3개의 시설을 폐쇄하고 인력을 6% 감축하여 연간 2,300만 달러를 절감하려 합니다. 동시에 향후 4년 동안 26억 달러를 투자해 생산 능력을 확대하고 있습니다. 이는 2024년 3분기 매출 7억 2천만 달러와 주주에게 약 1억 달러를 반환하는 정책과 비교됩니다.

전반적으로, Vishay는 전력 및 반도체 분야의 복합 전자 부품 제조 전문성과 탄탈럼과 같은 이국적인 금속 활용 능력을 바탕으로 재생 에너지, 5G 통신, 전기차 및 항공우주 분야 개발을 통해 매출을 확대하는 데 유리할 것입니다.

연구 참고:

^{1. Li, J., et al. (2024). 조성 상분리에 의해 600°C에서 구현된 비휘발성 전기화학 메모리. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}