‘다진법 반도체’는 0, 1, 2, 3 등 네 가지 이상의 숫자로 정보를 처리하는 차세대 반도체다. 2진법(0과 1)으로 숫자로 정보를 처리하는 일반 반도체보다 훨씬 많은 양의 연산이 가능해, 반도체 발열 및 전력 소모 문제 해결의 해결책이 될 것으로 기대되고 있다.

이 가운데 국내 연구진이 인간 뇌신경을 모방한 초저전력 다진법 반도체 소자 개발에 성공했다. 홍웅기 한국기초과학지원연구원(기초지원연) 연구장비개발부 책임연구원팀은 물질의 전기저항 변화를 이용해 다진법 구현이 가능한 ‘다중저항 스위칭 메모리 소자’ 개발에 성공했다고 28일 밝혔다. 이번 연구는 장훈수 한국화학연구원(화학연) 화학소재솔루션센터 박사후연구원과 공동으로 진행했다.

이번에 연구팀이 개발한 반도체소자는 인간 뇌의 신경조직인 ‘시냅스’를 모방한 것이다. 시냅스는 생체 신경조직의 가장 기본 단위체로, 신경세포들 사이에서 전기적 신호 및 정보를 전달한다. 이때 시냅스는 유의미한 자극이 있을 때만 인근 신경조직에 신호를 전달하고, 필요 없는 신호는 무시할 수 있다. 때문에 에너지 소비를 최소화하는 것이 가능하다.

이런 시냅스 역할이 가능한 반도체 회로 소재로 선택된 것은 ‘이산화바나듐’이다. 이산화바나듐은 바나듐과 산소가 1대 2의 비율로 결합된 산화물이다. 온도나 압력 등 외부 자극이 가해질 경우, 금속에서 절연체로 전기적 특성이 바뀌는 ‘금속-절연체 상전이(MIT)’ 현상이 일어난다. 특히, 실리콘이나 유리 등의 기판 위에 있을 땐 기판과의 상호작용에 따라 결정구조가 변화하기도 한다. 

연구팀은 이산화바나듐으로 600나노미터(㎚) 길이 전자 통로를 만든 다음, 여러 단위 소자로 연결한 병렬 구조로 제작했다. 이렇게 만들어진 인공 시냅스에 열, 전기 등 외부자극이 가해지면 금속-절연체 상전이 현상이 일어나고, 이를 통해 인간 뇌와 유사한 시냅스 연결 강도 변화 구현이 가능하다. 

연구팀은 이 새로운 반도체 소자로 연산 테스트를 진행했다. 그 결과, 0과 1의 이진법 기반의 컴퓨팅이 아닌, 다진법으로 여러 가지 저항 데이터의 표현·저장이 가능함을 확인했다. 또 이진법 기반 컴퓨팅 시스템 대비 최소 2배 이상 데이터 저장·처리도 가능할 것으로 기대했다.

홍웅기 기초지원연 책임연구원은 “이산화바나듐은 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅·반도체 구현을 위한 대표적 신소재로 떠오르고 있다”며 “이번 연구 성과를 토대로 저항 변화형 시냅스 소자 기반의 이종접합 집적소자 제작, 적합한 뉴런 구조 형성, 정보의 비휘발성 제어, 머신러닝 접목 가능성 등 체계적으로 후속 연구를 진행할 것”이라고 밝혔다.