[나노영챌린지 2017] 뇌처럼 작동하는 컴퓨터를 위한 입체 메모리

2017년 11월 30일 16:05

나노기술의 미래를 이끌 젊은 과학도들의 축제 ‘나노영챌린지’가 6개월간의 대장정 끝에 막을 내렸다. 나노기술연구협의회는 나노영챌린지의 본상 시상식을 11월 23일 서울 강남구 라마다호텔에서 개최했다.

 
올해 처음 개최된 ‘나노영챌린지 2017’은 대학생과 대학원생들의 열기로 뜨거웠다. 총 55팀이 지원해 8개 팀이 본선에 올랐고, 그 중 3팀이 최우수상(과학기술정보통신부장관상)과 우수상(나노기술연구협의회장상, 한국과학창의재단이사장상) 수상의 영예를 안았다. 수상팀에게는 상금과 함께 해외 나노기술 관련 행사 탐방 기회가 주어진다. 올해 수상작들을 2회에 걸쳐 소개한다.

 

뇌처럼 작동하는 컴퓨터를 위한 3차원 메모리 소자

 

뉴로모픽 컴퓨터 구현을 위해 부산대 팀이 설계한 입체 메모리 소자. 실리콘(Si) 끝부분을 뾰족하게 만들어서 성능 저하를 막았다. - 나노기술연구협의회 제공
뉴로모픽 컴퓨터 구현을 위해 부산대 팀이 설계한 입체 메모리 소자. 실리콘(Si) 끝부분을 뾰족하게 만들어서 성능 저하를 막았다. - 나노기술연구협의회 제공

우수상(나노기술연구협의회장상)을 수상한 부산대 팀(이원주, 권희태, 최현석, 위대훈)은 나노융합기술학과 대학원생들로 구성됐다. 이들은 최근 주목받는 ‘뉴로모픽 칩’을 구현하는 데 활용할 수 있는 저항변화메모리 소자 시스템을 제안했다. 뉴로모픽 칩은 뇌가 작동하는 방식을 모방한 소자를 말한다.

 

부산대 팀은 현재 소속 실험실에서 연구 중인 저항변화메모리 소자로 뉴로모픽 시스템을 구현하기 위해 입체적으로 메모리 소자를 만드는 방법을 고안했다.

 

저항변화메모리는 전기장의 세기에 따라 저항이 달라지는 물질을 이용해서 정보를 기억하는 소자를 말한다. 하지만 저항변화 물질은 크기가 커질수록 메모리로 사용할 때 성능이 떨어지는 단점이 있다.

 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 저항변화 물질의 끝부분을 뾰족하게 만드는 아이디어를 냈다. 2차원 평면에서 이런 방식으로 성능 저하를 막는 연구가 있었지만 입체적으로 이를 구현하고 동시에 메모리의 집적도를 높인 사례는 없었다. 팀 대표인 이원주 씨는 “입체적으로 만든 메모리 소자를 여러 개 연결해서 뇌의 시냅스처럼 작동시키는 것이 목표였다”고 말했다.

 

비록 목표대로 시스템을 완성하지는 못했지만 연구팀은 지금도 후속 연구를 진행하고 있다. 실제로 구현하기 까지는 시간이 걸리겠지만 아이디어 자체가 좋았기 때문에 우수상으로 뽑힐 수 있었다”고 말했다.심사를 맡은 신경호 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원은 “실제로 구현하기 까지는 시간이 걸리겠지만 아이디어 자체가 좋았기 때문에 우수상으로 뽑힐 수 있었다”고 말했다.

 

 

빛으로 정보 전송하는 고속 나노 스위치

한국산업기술대 팀이 설계한 고속으로 작동하는 나노 광스위치. 나노 막대(nano beam)가 빛이 진행하는 통로에 놓이면 켜지고(on), 그렇지 않으면 꺼지는(off) 방식으로 작동한다. - 나노기술연구협의회 제공
한국산업기술대 팀이 설계한 고속으로 작동하는 나노 광스위치. 나노 막대(nano beam)가 빛이 진행하는 통로에 놓이면 켜지고(on), 그렇지 않으면 꺼지는(off) 방식으로 작동한다. - 나노기술연구협의회 제공

또 다른 우수상(한국과학창의재단이사장상) 수상팀인 한국산업기술대 팀(김동현, 김수지, 박종일, 지정환)은 학부생으로 구성됐다. 나노광공학과 4학년에 재학 중인 이들은 졸업작품을 구상하면서 기존과 다른 원리로 작동하는 광 스위치를 고안했고 동시에 나노영챌린지에도 도전했다.

 

팀 대표인 김동현 씨는 “정보 손실이 적고 빠르게 동작하는 광스위치를 만드는 것이 목표였다”고 말했다. 현재 모든 전자기기에 쓰이는 정보전달 방식은 전류를 이용해서 on, off 신호를 만든 뒤 그것을 0과 1로 읽어내는 것인데, 이 방식은 정보를 전달하는 양과 거리가 멀수록 효율이 떨어지고 정보 손실 가능성이 높아진다. 전자 대신 빛으로 정보를 전달하는 광스위치가 개발돼 있지만 연구팀은 기존과 다른 방식으로 스위치를 작동시켜서 많은 신호를 빠르게 보낼 수 있는 가능성을 모색했다.

 

연구팀이 낸 아이디어는 실리콘(Si) 반도체로 만든 나노막대를 레이저가 통과하는 구조물 사이에 두고 빛의 진행을 조절하는 방식이다. 전압으로 나노막대의 위치를 조절해 나노막대를 레이저 경로 사이에 놓았을 때는 빛이 지나가게 하고(on), 그렇지 않을 때는 빛이 차단된다(off).

 

대전 KAIST에 위치한 나노종합기술원의 전문가들로부터 도움을 받은 연구팀은 실제 두께가 두께 500nm인 스위치를 만들어서 아이디어대로 전압에 의해 나노막대가 움직이는 것을 확인했다. 현재는 나노막대를 이용한 광스위치가 얼마나 빠른 속도로 움직이는지를 확인하는 후속 연구를 진행 중이다.

 

심사를 맡은 신 책임연구원은 “완전히 새로운 아이디어는 아니지만 광스위치가 상대적으로 적은 에너지로 빠르게 작동할 수 있게 설계한 점을 높이 평가했다”고 말했다.

 

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