컴퓨팅
마그논: 에너지 효율적인 칩의 미래
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마그논 컴퓨팅: 저에너지 칩을 위한 새로운 경로
컴퓨팅 파워에 대한 수요가 증가함에 따라, 지금까지 사용된 방법들은 점점 부족해지고 있습니다. 특히, CPU, GPU 등 모든 실리콘 기반 칩은 많은 에너지를 소비하는 경향이 있습니다.
소비된 에너지는 열로 전환되어 데이터 센터 서버에서 방출되어야 하며, 그렇지 않으면 전자 부품이 손상될 수 있습니다.
이로 인해 에너지 공급과 냉각이 새로운 AI 데이터 센터의 주요 제한 요소가 되며, 이는 첨단 칩의 개발 및 공급만큼이나, 혹은 그보다 더 큰 제약이 됩니다.
컴퓨팅 에너지 소비를 줄이는 한 방법은 전자 스핀을 이용해 연산을 수행하는 스핀트로닉스를 도입하는 것입니다. 이 기술은 이미 하드 드라이브와 데이터 저장에 사용되고 있으며, 이제 연산 분야에서도 상용화에 빠르게 다가가고 있습니다.
델라웨어 대학교와 메릴랜드 대학교 연구진이 이 목표를 향한 새로운 단계를 제시했습니다. 그들은 스핀 파동을 전류로 변환하는 방법을 발견했으며, 이는 자기 물질에 대한 더 깊은 이해로 이어지는 길을 열었습니다.
그들은 PNAS1에 “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”라는 제목으로 연구 결과를 발표했습니다.
스핀트로닉스의 장점 및 잠재적 응용
트랜지스터와 같은 전자 부품은 전통적으로 실리콘으로 제작되며 반도체에 의존합니다. 이진법의 0과 1 신호는 전류의 흐름 또는 차단을 나타냅니다.
연산을 수행하는 대안적인 방법은 전류(전자 흐름)가 아닌 전자의 스핀(기본적인 양자 특성)을 이용하는 스핀트로닉스 장치를 사용하는 것입니다.
출처: Insight IAS
데이터는 전자의 내재된 ‘up’ 또는 ‘down’ 방향으로 상상할 수 있는 스핀 각운동량과, 전자가 원자핵 주위를 움직이는 방식을 설명하는 궤도 각운동량 두 가지에 인코딩될 수 있습니다.
이는 0과 1만을 포함하는 것보다 더 많은 정보를 담고 있기 때문에, 스핀은 전통적인 전자 장치보다 원자당 더 많은 데이터를 저장할 수 있습니다.
스핀트로닉스는 고전 전자 시스템에 비해 몇 가지 다른 장점을 가지고 있습니다, 특히:
- 데이터 전송이 더 빠르며, 스핀을 훨씬 빠르게 변경할 수 있습니다.
- 에너지 소비가 적으며, 전류를 만들기 위해 전자 흐름을 유지하는 것보다 적은 전력으로 스핀을 변경할 수 있습니다.
- 복잡한 반도체 재료 대신 단순 금속을 사용할 수 있습니다.
- 스핀은 반도체 상태보다 휘발성이 낮아 데이터 저장이 더 안정적입니다.
스크롤하려면 스와이프 →
| 특징 | 전통 전자 | 스핀트로닉스 |
|---|---|---|
| 정보 전달 매체 | 전류 (0 또는 1) | 전자 스핀 (up/down) |
| 에너지 효율 | 높은 전력 요구 | 낮은 전력 사용 |
| 속도 | 전류 흐름에 의해 제한 | 더 빠른 스핀 전환 |
| 재료 | 복잡한 반도체 | 단순 금속/산화물 |
| 데이터 안정성 | 휘발성 저장 | 안정적, 비휘발성 |
스핀트로닉스는 이미 하드 드라이브에 사용되고 있으며, 지난 10년 동안 데이터 저장 용량이 증가하도록 해왔습니다.
“스핀은 전자의 양자역학적 특성으로, 전자가 가지고 있는 작은 자석과 같으며, 위(up) 또는 아래(down) 방향을 가리킵니다.
우리는 전자의 스핀을 활용하여 소위 스핀트로닉스 장치에서 정보를 전달하고 처리할 수 있습니다.
다음 세대 스핀트로닉스를 위한 마그논 제어
마그논 설명
연구자들은 스핀 전류, 즉 마그논이라고도 불리는 현상에 집중했으며, 이는 자기 파동처럼 작용하여 전자의 스핀을 이동시킵니다.
출처: Hubpage
마그논은 잠재적인 스핀트로닉스 장치의 핵심 요소입니다. 이는 마그논이 전자를 통과할 때 전자 자체는 정지해 있기 때문에 열이 발생하지 않아, 실리콘 칩에서 주요 제한 요인인 열 방출이 필요하지 않기 때문입니다.
이 연구에서 연구자들은 마그논의 전달이 측정 가능한 전기 분극을 유도한다는 것을 발견했습니다. 그들은 니켈-인-셀레늄(NiPSe3)으로 구성된 벌집 구조의 물질을 사용했습니다.
그들은 유도된 순 전기 분극이 이전에 사용된 물질인 망간-인-황(MnPS3)보다 약 1,000배 더 크다는 것을 발견했습니다.
스핀 전류를 넘어
이전에 다른 연구팀은 마그논을 사용하여 스핀 손실을 에너지로 변환함으로써 스핀트로닉스 시스템의 효율성을 크게 높일 수 있음을 발견했습니다. 키랄 스핀트로닉스와 확장 가능한 스핀 파동 네트워크도 잠재적인 미래 스핀트로닉 기반 컴퓨터에 유망한 추가 요소를 제공했습니다.
이 연구는 마그논이 전하 중성이지만 스핀과 궤도 모멘트를 통해 전기 분극을 유도할 수 있음을 증명함으로써 한 단계 더 나아갑니다.
그 작동 원리는 “넬스트 효과”이며, 이는 물질이 온도 구배와 자기장에 동시에 노출될 때 전기장을 생성하는 현상입니다.
더 중요한 점은, 순 전기 분극을 외부 자기장(마그논 하이브리다이제이션이라고 하는 방법)으로 제어할 수 있다는 것을 발견했다는 것입니다.
이러한 발견은 전기장을 활용하여 특정 조건에서 마그논의 스핀 및 궤도 각운동량을 이용해 마그논을 감지하고 조작할 수 있음을 보여줍니다.
통합 자기 컴퓨팅 모델을 향하여
이 발견은 동일 팀의 이전 연구를 기반으로 하며, 스핀, 마그논, 전자 궤도에 대한 통합된 이해를 구축하려는 것이었습니다.
“이 결과들은 마그노닉스, 스핀오비트로닉스, 오비트로닉스 분야의 진보를 통합하여, 자기 상태의 조작을 이해하고 제어하는 데 사용할 수 있는 통합 프레임워크를 만들었습니다.”
이 최신 발견은 마그논을 스핀트로닉스의 흥미로운 현상에서 완전히 제어 가능한 효과로 전환시킬 수 있으며, 이를 위해 자기장을 사용합니다.
또한 이는 향후 상당한 마그논 궤도 모멘트를 가진 물질을 발견하거나 설계하는 데 유용한 이론적 프레임워크를 제공하여, 마그논 특성을 원하는 대로 쉽게 조작할 수 있게 합니다.
따라서 스핀트로닉스 칩이 아직 AI 데이터 센터와 컴퓨터에 일상적으로 통합될 준비가 되지는 않았지만, 이론적 및 실용적 엔지니어링 수준 모두에서 통합된 이해를 향해 매우 빠르게 진전하고 있습니다.
이는 차례로 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터 차세대 구축 방식에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.
한편, 스핀트로닉스는 이미 기업들이 메모리 전자제품 및 센서를 구축하는 데 사용되고 있으며, 향후 더 발전된 스핀트로닉스 칩을 만드는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
스핀트로닉스 투자
1. Everspin Technologies
MRAM 가격 차트
Everspin은 Freescale(현재 NXP로 알려짐)의 계열사이며 MRAM 메모리 시스템 개발에 전념하고 있습니다. Freescale에서 분사되어 2016년에 IPO를 진행했습니다.
Everspin은 MRAM 기술(자기저항성 랜덤 액세스 메모리)의 선두주자로 여겨지며, Freescale이 2006년에 최초로 MRAM 칩을 상용화한 경험을 이어받았습니다.
MRAM은 전류가 없어도 유지되는 메모리이기 때문에, 중요한 데이터 손실 위험을 감당할 수 없는 민감한 사용 사례에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다.
데이터 분석, 클라우드 컴퓨팅, 지구 및 우주, 인공지능(AI), 엣지 AI, 산업용 IoT 등 광범위한 애플리케이션에 의해, 지속 메모리 시장은 2020년부터 2030년까지 연평균 27.5% 성장할 것으로 예상됩니다
출처: Everspin
회사는 2027년까지 시장 규모가 74억 달러에 이를 것으로 추정합니다. 2021년 이후 부채가 없으며 자유 현금 흐름이 긍정적입니다.
Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장 중인 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록기, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 중요한 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.
(NXPI )
출처: Everspin
칩셋, AI 및 시냅스 시스템의 성장 또한 회사에 장기적인 촉진제가 될 수 있습니다.
2. NVE Corporation
NVEC 가격 차트
스핀트로닉스의 또 다른 선두주자인 NVE는 1995년에 MRAM 기술에 대한 최초 특허를 획득한 이후 이 기술을 연구해 왔습니다. 주로 자동차, 기어, 의료 기기, 전원 공급 장치 및 기타 산업용 장치의 측정 및 센서 시스템에 사용되는 스핀트로닉스 센서와 아이솔레이터를 생산합니다.
출처: NVE
이는 NVE를 Everspin과는 다소 다른 카테고리로 위치시키며, NVE는 틈새 시장(스핀트로닉스를 이용한 자기계)에서 강력한 입지를 가진 산업 기업인 반면, Everspin은 Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, Samsung 등과 경쟁하며 자체 MRAM 제품을 개발 중인 메모리/컴퓨팅 기업에 가깝습니다.
이는 투자자들의 프로필에 따라 주식 매력이 달라질 수 있으며, NVE의 주식은 배당 수익률과 안전성을 추구하는 보수적인 투자자들에게 더 매력적일 가능성이 높습니다.
참조 연구
1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects. PNAS. 2025년 10월 23일. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122
