초기 강유전성 – 무엇이며, 어떻게 컴퓨팅을 변화시킬 수 있을까?

저전력 트랜지스터와 실험적 컴퓨팅

현대 컴퓨팅의 대부분은 실리콘 공정으로 만든 트랜지스터에 의존한다. 개별 트랜지스터가 반드시 많은 전력을 쓰는 것은 아니지만, 수십억 개의 소자와 데이터 이동, 메모리, 냉각을 합치면 시스템 전력 소비가 커진다.

전계효과 트랜지스터(FET)는 실리콘 트랜지스터와 별개의 비실리콘 소자가 아니라 전기장으로 전류를 제어하는 트랜지스터 계열이다. 널리 쓰이는 실리콘 MOSFET도 FET에 속하며, 소비전력은 구조, 재료, 전압, 동작 방식에 따라 달라진다.

펜실베이니아주립대와 미네소타대 연구진은 스트론튬 타이타네이트 나노막을 이용한 FET에서 초기 강유전성 거동을 조사했다.

초기 강유전성은 정상 조건에서 안정적인 장거리 강유전 질서가 형성되기 직전의 상태를 뜻한다. 짧은 범위의 극성 군집이 나타나며 온도와 전기장에 민감하게 반응할 수 있다.

이 거동은 여러 상태나 시냅스와 비슷한 반응을 표현하는 뉴로모픽 소자에 활용될 가능성이 있다. 다만 이번 연구는 작은 개념증명이며, 모든 기존 컴퓨터보다 적은 에너지로 데이터를 저장하거나 우주 환경에 적합하다는 점을 입증하지 않았다.

연구 결과는 Nature Communications에 「상온 이하에서 독립형 SrTiO₃ 나노막의 초기 강유전성을 활용한 다기능 2차원 FET」라는 제목으로 게재됐다¹.

초기 강유전성이란?

강유전성은 특정 물질이 자발적 전기 분극을 가지며, 적절한 외부 전기장으로 그 방향을 뒤집을 수 있는 성질이다.

강유전 물질은 커패시터, 센서, 액추에이터와 FeRAM 같은 비휘발성 메모리에 사용된다. 강유전 커패시터가 모든 유전체 커패시터보다 항상 작거나 효율적이라는 뜻은 아니다.

초기 강유전 물질은 실온에서 안정적인 장거리 강유전 질서를 보이지 않지만, 짧은 범위의 극성 요동이나 군집이 전기장과 온도에 반응할 수 있다. 이를 단순히 특정 조건에서만 전하를 저장한다고 설명하면 부정확하다.

“초기 강유전성은 실온에서 안정적인 강유전 질서가 없다는 뜻입니다. 대신 작고 흩어진 극성 도메인 군집이 있으며, 전통적인 강유전 물질보다 유연한 구조입니다.”

Dipanjan Sen – 공학 과학 및 역학 박사과정 후보

이 거동은 상태 유지가 짧을 수 있어 일부 전통적 메모리 응용에서는 한계로 여겨졌다. 반면 장기 이진 저장 대신 점진적이고 비선형적인 반응을 활용하는 소자에는 유용할 수 있다.

연구진은 스트론튬 타이타네이트 나노막이 극저온에서는 전통적인 강유전체에 가까운 거동을, 실온에서는 더 무질서한 완화형 거동을 보인다는 점을 관찰했다.

초기 강유전성의 활용 가능성

이처럼 유연한 거동은 전통적 이진 메모리에는 문제가 될 수 있지만, 뉴로모픽 소자의 조절 가능한 상태로 활용될 가능성이 있다.

“극저온에서 이 물질은 메모리 응용에 적합한 전통적 강유전체와 비슷한 거동을 보였습니다. 그러나 실온에서는 더 무질서하고 짧은 범위의 분극 반응인 완화형 특성을 보였습니다.”

Saptarshi Das – 펜실베니아 주립대학 공학 교수.

초기 강유전성을 이용하는 소자의 반응은 뉴로모픽 시스템에서 뉴런이나 시냅스의 일부 기능을 모사하는 요소에 활용될 수 있지만, 생물학적 뉴런 전체를 재현하지는 않는다.

뉴로모픽 컴퓨팅은 신경망에서 영감을 받은 사건 기반 처리와 분산 상태를 사용한다. 일부 구조는 특정 작업에서 데이터 이동과 에너지를 줄일 수 있지만, 기존 컴퓨팅과의 비교는 작업, 정확도, 하드웨어, 학습 방식에 달려 있다.

연구진은 이 가능성을 시험하기 위해 2차원 반도체 채널과 초기 강유전성 거동을 보이는 나노막을 결합한 FET를 제작했다.

Incipient Ferroelectric FETs

Strontium Titanate

미네소타대 연구진은 독립형 스트론튬 타이타네이트(STO) 나노막을 만들고, 이를 2차원 반도체인 이황화몰리브덴과 결합해 FET를 제작했다.

출처: Nature Communication

스트론튬 타이타네이트는 양자 상유전성에 가까운 페로브스카이트로, 순수 벌크 결정은 일반적인 주변 조건에서 장거리 강유전 질서를 보이지 않지만 분극 가능성은 크다.

스트론튬 타이타네이트는 저온, 변형, 결함, 크기, 계면 효과에 따라 강유전체와 비슷한 거동을 보일 수 있다. 여기서 페로브스카이트는 결정 구조 계열을 뜻하며 태양전지 재료 하나만을 뜻하지 않는다.

“잘 알려진 이 페로브스카이트 물질이 소자 수준에서 특이한 강유전 특성을 보일 수 있다는 점에 놀랐습니다.

예상하지 못했지만 소자를 제작한 뒤 첨단 전자공학에 새로운 길을 열 수 있는 거동을 관찰했습니다.”

페로브스카이트 물질은 폭넓은 결정 구조 계열이며, 일부 화합물은 태양전지에 쓰이거나 연구된다. 다른 조성은 광자 컴퓨팅에 유용할 수 있지만 성질은 조성에 따라 크게 다르다.

FET 개념증명

연구진은 스트론튬 타이타네이트 나노막으로 인공 뉴런 세 개를 만들고 3×3 픽셀의 단순 이미지 패턴을 분류했다. 이는 제한된 개념증명이며 실제 시각 인식 시스템이 아니다.

출처: Nature Communication

소자는 각 이미지를 서로 다른 범주로 분류했다. 이 방법은 향후 이미지나 패턴 인식에 활용될 수 있다. 실온에서 작동했지만, 연구는 전체 시스템의 에너지 소비를 종합적으로 비교하지 않았다.

Mayukh Das – 공학 과학 및 역학 박사과정 후보

초기 강유전성을 이용한 FET 인공 뉴런은 저전력 뉴로모픽 하드웨어에 기여할 수 있다. 그러나 제조 규모에서 비용과 효율은 아직 입증되지 않았다.

이 연구는 첨단 컴퓨팅과 통신을 위한 다른 FET 경로, 예를 들어 강유전 고전자이동도 트랜지스터(FeHEMT)와 함께 볼 수 있다. 각 소자의 구조와 성숙도는 다르다.

가능한 응용과 한계

이 소자는 초기 강유전성의 새로운 용도를 탐색하는 실험실 단계 장치다. 내구성, 소자 간 편차, 상태 유지, 반복 수명, 집적, 확장성을 추가로 검증해야 한다.

메모리와 연산 사이의 데이터 이동이 많은 전력을 쓰므로 AI가 잠재적 응용이 될 수 있다. 그러나 대규모 언어 모델은 단순히 “거대한 메모리”가 아니며, 이 실험은 데이터센터의 총 에너지를 줄인다는 점을 입증하지 않았다.

DeepSeek와 관련된 접근처럼 신경망 구조와 소프트웨어를 개선하는 방법, 데이터센터 효율, 칩, 메모리가 모두 도움이 될 수 있다. 새로운 하드웨어도 기여할 수 있지만 한 기술이 에너지 증가를 막는 데 필수적이거나 충분하다고 단정할 수 없다.

“이 물질을 개선해 스마트폰이나 노트북 같은 일상 기기에 통합하려면 시간이 필요하며, 아직 탐구할 것이 많습니다.

또한 바륨 타이타네이트 같은 다른 물질의 잠재력도 조사하고 있습니다. 재료와 소자 응용 모두에 많은 연구 기회가 있습니다.”

Dipanjan Sen – 공학 과학 및 역학 박사과정 후보

뉴로모픽 컴퓨팅을 연구하는 기업

1. Intel

Intel (INTC )은 프로세서, 컴퓨팅 플랫폼, 제조 기술을 개발해 온 대형 반도체 기업이다. 첨단 제조 물량의 선두를 TSMC 같은 파운드리에 내줬으며 제조 사업 재건을 추진하고 있지만 성공은 보장되지 않는다.

Intel은 뉴로모픽 컴퓨팅을 연구하며 Loihi 2를 연구 플랫폼으로 제공한다. 이는 광범위한 상업 시장 지배력을 입증하는 제품은 아니다.

출처: Intel

Intel은 Intel Neuromorphic Research Community를 만들었고, 펜실베이니아주립대를 비롯해 이산화바나듐 연구에 참여한 기관과 여러 연구 그룹이 참가했다. 회원 수와 구성은 시점에 따라 달라진다.

출처: Intel

Intel은 생물학적 감각 체계에서 영감을 받은 컴퓨팅도 연구한다. 관련 주제는 「생체모방 후각 칩: AI와 전자 코는 새로운 탄광의 카나리아인가?」에서 다뤘다.

Intel Labs는 AI, 양자, 뉴로모픽 컴퓨팅 등을 연구한다. 연구 활동 자체가 상업적 우위나 투자 수익을 보장하지는 않는다.

Intel의 양자컴퓨팅 연구는 「양자컴퓨팅의 현재」와 2024년 9월 「금주의 주식: Intel (INTC)」에서 다뤘다.

2. IBM

컴퓨팅과 반도체의 역사적 선구자인 International Business Machines(IBM) (IBM )도 뉴로모픽 컴퓨팅을 연구한다. 연구 프로그램이 현재 상용 제품을 뜻하는 것은 아니다.

IBM은 DARPA의 지원을 받아 확장 가능하고 에너지 효율적인 신경시냅스 컴퓨팅 SyNAPSE를 개발했다. 감각, 지각, 행동 등 뇌의 일부 기능을 모사하려는 역사적 연구 프로젝트였으며 최신 상용 플랫폼을 보장하지 않는다.

IBM은 Eagle 127큐비트, Osprey 433큐비트, Condor 1,121 초전도 큐비트 프로세서를 개발했다. 큐비트 수만으로 양자컴퓨터의 품질이 결정되지는 않으며 오류, 연결성, 결맞음 시간, 오류수정 가능성이 중요하다.

출처: All About Circuits

Intel과 IBM은 양자 및 뉴로모픽 컴퓨팅 같은 새로운 형태의 컴퓨팅에 투자한다. 뉴로모픽 트랜지스터 재료에 대한 이해 향상에서 이익을 얻을 수 있지만, 연구에서 제품과 수익으로 이어지는 과정은 오래 걸리고 실패할 수 있다.

Studies Referenced:

^{1. Sen, D., Ravichandran, H., Das, M. et al. 상온 이하에서 독립형 SrTiO₃ 나노막의 초기 강유전성을 활용한 다기능 2차원 FET. Nat Commun 15, 10739 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54231-z}