Moore’s Law와 활성 기판 및 뉴로모픽 컴퓨팅을 따라잡기

새로운 반도체 필요

반도체 산업은 지난 수십 년간 지속적으로 중요성이 커져 왔으며, 산업용 메인프레임 컴퓨터에서 오늘날 거의 모든 기계와 장치의 필수적인 부분으로 자리 잡았습니다.

이러한 성장은 반도체의 복잡성 증가와 소형화에 의해 촉진되었습니다. 그러나 실리콘의 기본 물리적 특성 때문에 실리콘 기반 반도체는 이제 한계에 다다르고 있습니다.

다행히도, 실리콘만이 반도체 특성을 나타내는 유일한 물질은 아닙니다. 반도체 특성, 즉 절연체(전류가 흐르지 않음)와 도체(전류가 흐름) 사이를 전환할 수 있는 능력을 가진 물질은 실리콘 외에도 존재합니다.

새로운 연구는 바나듐 이산화물과 이전에 예상치 못했던 이산화티타늄의 반도체 특성과 같은 혁신적인 반도체 물질의 기본 물리학에 대한 새로운 통찰을 밝혀냈습니다.

The research was conducted by a multi-disciplinary research effort carried out by researchers at the Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology, and Germany’s Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin.

바나듐 & Moore’s Law

바나듐 이산화물이 새로운 반도체 기술의 주요 후보가 되는 이유는 바나듐이 금속(“1” 상태)과 절연체(“0” 상태) 사이를 조분의 1초 만에 전환할 수 있기 때문입니다.

이는 “금속-절연체 전이”라고 알려진 현상입니다. 금속-절연체 전이 속도가 기존 실리콘 기반 전자보다 더 빠르고 작게 만들 수 있게 해줍니다.

이는 반도체 산업이 Moore’s Law를 따라잡기 위해 필수적입니다.

1965년에 제시된 Moore’s Law는 반도체 산업이 2년마다 칩당 트랜지스터 수를 100% 증가시킨다는 경험적 법칙입니다. 수십 년 동안 이 법칙은 유지되어 왔지만, 실리콘 칩의 근본적인 한계 때문에 새로운 물질이 곧 필요하게 될 것입니다.

Moore’s Law는 1936년 Wright’s law의 반도체 산업 적용 형태이며, Wright’s law는 생산량이 두 배가 될 때마다 제조 비용이 최대 15% 감소한다는 내용입니다(원래는 항공 산업을 위해 개발됨).

Wright’s law는 규모의 경제와 산업 효율성에 관한 규칙이며, Moore’s Law는 기술 혁신에 관한 규칙으로, 기본 물리학과 나노미터 규모 공학에 대한 이해가 진전될 때마다 추진됩니다.

새로운 통찰

고급 방법

지금까지 바나듐 이산화물은 고립된 구성 요소로만 분석되고 관찰되었습니다. 이는 유용하지만 바나듐 이산화물을 기반으로 한 반도체에서 실제로 어떤 일이 일어날지에 대한 이해를 제한했습니다.

연구진은 Advanced Materials (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition“)에 발표된 논문에서 여러 새로운 발견을 했습니다.

그들은 X-선 회절 현미경을 사용해 원자 수준에서 실시간으로 변화를 관찰했습니다.

그리고 바나듐 이산화물을 실제 반도체 칩에 적용되는 방식처럼 티타늄 이산화물 기판 위에 올려 연구했으며, 고립된 상태로만 연구하지 않았습니다.

Source: Advanced Materials

This was a massive endeavor, with the study itself taking more than 10 years and involving many research teams and a multi-disciplinary approach.

“By bringing these experts together and pooling our understanding of the problem, we were able to go far beyond our individual scope of expertise and discover something new.” – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin

바나듐 움직임

연구진은 바나듐 이산화물이 금속으로 전이될 때 위쪽으로 부풀어 오른다는 것을 처음으로 관찰했습니다. 이는 이론적으로 수축할 것이라고 예측된 것과 반대되었습니다.

Source: Advanced Materials

그들은 산소 원자가 결핍된 효과가 물질의 팽창을 일으킨다는 것을 발견했습니다.

“These neutral oxygen vacancies hold a charge of two electrons, which they can release when the material switches from an insulator to a metal. The oxygen vacancy left behind is now charged and swells up, leading to the observed surprising swelling in the device.”

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

티타늄 기판의 예상치 못한 활동

반도체 제조에서 흔히 믿어지는 관념은 전류가 흐를 때 활성화되는 것은 기판 위에 얇게 입힌 반도체 얇은 막뿐이며, 기판 자체는 전기적·기계적으로 수동적이라는 것입니다.

이번 연구에서는 바나듐 이산화물 반도체에 대해 이 관념이 적용되지 않음을 발견했습니다.

오히려 이전에 관성이라고 여겨졌던 티타늄 이산화물도 동일한 산소 결핍 메커니즘으로 팽창합니다.

게다가 티타늄 이산화물의 최상층도 바나듐 이산화물처럼 반도체 역할을 수행했습니다.

This new discovery will be crucial in building prototypes of commercial vanadium dioxide semiconductors.

응용 분야

더 빠르고, 더 나은 반도체

바나듐 이산화물은 다음과 같은 몇 가지 근본적인 특성 때문에 반도체 기술을 다음 단계로 끌어올릴 매우 유망한 물질로 간주됩니다:

• 절연체-금속 전이(IMT)가 조분의 1초라는 극한 속도로 일어나 초고속 계산이 가능해집니다.
• 바나듐 이산화물은 강하게 상관된 전자 효과를 가지고 있습니다. 간단히 말해 전자 간 반발을 무시할 수 없으며, 이는 현재 실리콘 기반 전자에서 무시되는 부분입니다.
  • 이는 고온 초전도성 및 향상된 자기 특성 등 새로운 기능성을 열어줍니다.

뉴로모픽 컴퓨팅

산소 결핍으로 인한 빈자리 이온화에 따른 양의 피드백 과정이 발견되면서 IMT 시간이 더욱 단축될 것으로 예상됩니다.

이는 바나듐 이산화물이 뉴로모픽 컴퓨팅이라는 새로운 형태의 계산에 적합한 물질이 될 가능성을 크게 높입니다.

뉴로모픽 컴퓨팅은 살아있는 시스템의 뇌와 뉴런에서 영감을 얻은 컴퓨터 시스템을 말합니다.

이는 현재 AI와 LLM이 사용하는 신경망과는 달리 고전적인 실리콘 트랜지스터에 의존하는 소프트웨어 기반 머신러닝이 아니라, 하드웨어 수준에서 뉴런을 모방합니다.

따라서 뉴로모픽 칩은 하드웨어 수준에서 학습할 수 있으며, 이진 출력(0과 1) 대신 신호 스파이크를 생성합니다.

Source: Tech Target

Thanks to its very quick Insulator-To-Metal transition, vanadium dioxide with an active substrate of titanium dioxide could be used to create Mott neuron-like spiking oscillators able to replicate at the hardware level biological neurons.

개요

바나듐 이산화물 반도체, 뉴로모픽 컴퓨팅, 그리고 Mott 뉴런과 같은 스파이킹 오실레이터는 재료 과학과 반도체 설계의 최전선에 있으며, 상용화까지 최소 10년은 더 걸릴 것으로 보입니다.

이 10년이라는 시간은 실리콘 기반 반도체가 Moore’s Law를 유지하지 못하게 되는 시점과 정확히 일치합니다.

Moore’s Law는 반도체가 반드시 실리콘 기반이어야 한다고 규정하지 않습니다. 이는 더 강력한 칩에 대한 수요가 지속되는 한, 연구자들이 점점 더 작은 규모에서 반도체 물리학을 탐구한다는 경험적 관찰에 불과합니다.

우리가 현재 바나듐과 티타늄 이산화물을 원자 수준에서 실시간으로 연구하고 있다는 점을 고려하면, Moore’s Law가 지속될 것이며 바나듐과 같은 물질이 차세대 반도체 설계의 핵심이 될 것이라고 기대해도 무방합니다.

그리고 물론, 포토닉스나 양자 컴퓨팅과 같은 다른 혁신적인 컴퓨팅 방식도 Moore’s Law를 유지하는 데 기여할 수 있습니다.

첨단 반도체 기업

1. Intel

Intel은 반도체 분야의 거대 기업으로, 산업 창립자에서 과학·혁신 리더로 진화했으며, 현재는 대만 TSMC와 같은 기업에 제조량 1위를 내주고 있습니다.

Intel은 Loihi 2 칩을 통해 뉴로모픽 컴퓨팅 분야를 선도하고 있습니다.

Source: Intel [securities_stock_price_tag symbol="INTC" exchange="NASDAQ"]

또한 Intel Neuromorphic Research Community를 설립했으며, 여기에는 이번 바나듐 이산화물 연구에 참여한 Pennsylvania State University와 75개 이상의 연구 그룹이 포함됩니다.

Source: Intel

Intel은 또한 뇌의 작동 방식을 복제하는 생물학적 감각 모방에도 활발히 참여하고 있으며(이는 뉴로모픽 컴퓨팅의 한 분야), 이에 대한 자세한 내용은 우리 기사 “생체모방 후각 칩: 인공지능과 전자코가 석탄 광산의 다음 카나리아가 될 수 있을까?”에서 다룹니다.

Overall, research from Intel Lab is at the forefront of semiconductor innovation, including AI, quantum computing, neuromorphic computing, etc. (we discuss Intel advances in quantum computing in our article “The Current State of Quantum Computing ”).

2. IBM

컴퓨팅, 반도체, 칩 설계 분야의 또 다른 역사적 선구자인 International Business Machines Corporation (IBM) 도 뉴로모픽 컴퓨팅을 조사하고 있습니다 (IBM ).

IBM은 또한 Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)의 지원을 받아 “SyNAPSE: 확장 가능하고 에너지 효율적인 뉴로시냅스 컴퓨팅”을 개발하고 있으며, 이는 “나노과학, 신경과학, 슈퍼컴퓨팅을 결합해 뇌의 감각, 인식, 행동, 상호작용 및 인지 능력을 시뮬레이션하고 모방한다”는 목표를 가지고 있습니다.

IBM은 양자 컴퓨터 개발에서도 선두에 서 있습니다. 예를 들어, 127큐비트 “Eagle” 양자 컴퓨터를 개발했으며, 이어서 433큐비트 시스템 “Osprey”와 1,121개의 초전도 큐비트 양자 프로세서 “Condor”를 선보였습니다.

Source: All About Circuits

Intel과 함께 IBM은 양자 컴퓨팅과 뉴로모픽 컴퓨팅 같은 새로운 형태의 컴퓨팅 기술을 가장 적극적으로 추진하는 기업 중 하나이며, 바나듐 이산화물과 같은 물질의 기본 원자 물리학에 대한 이해가 진전됨에 따라 큰 혜택을 받을 가능성이 높습니다.