재료 공학의 최전선에 있는 새로운 연구는 컴퓨팅 장치의 성능을 놀랍도록 향상시킬 수 있는 가능성을 제시합니다. 케임브리지 대학교의 마르쿠스 헬브랜드(Markus Hellbrand) 등이 이끄는 연구팀은 전압 변화 바륨 스파이크에 의해 터널링된 하프늄 산화물 층을 기반으로 하는 새로운 소재가 메모리와 프로세싱 결합 소재의 특성을 융합한 것으로 보고 있습니다. 즉, 이 소자는 기존 저장 매체의 10~100배에 달하는 밀도를 제공하는 데이터 저장 장치로 작동하거나 처리 장치로 사용될 수 있습니다.

사이언스 어드밴스 저널에 게재된 이 연구는 컴퓨팅 장치의 밀도, 성능 및 에너지 효율성을 훨씬 더 높일 수 있는 길을 제시합니다. 실제로 이 기술을 기반으로 한 일반적인 USB 스틱(연속 범위라고 함)은 현재 우리가 사용하는 것보다 10배에서 100배 더 많은 정보를 저장할 수 있습니다.

JEDEC에서 지적한 것처럼 RAM의 밀도가 4년마다 두 배씩 증가하기 때문에 RAM 제조업체가 오늘날 이 기술이 보여주는 것과 같은 수준의 밀도를 달성하려면 수십 년이 걸릴 것입니다.

이 장치는 뉴로모픽 컴퓨팅의 터널을 밝히는 등불이기도 합니다. 우리 뇌의 뉴런과 마찬가지로 저항 스위칭 메모리로 알려진 이 물질은 저장 및 처리 매체로 작동할 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. 현재의 반도체 기술에서는 트랜지스터와 재료 설계 배열이 메모리 셀에 필요한 것과 처리 셀에 필요한 것(주로 내구성, 즉 성능 저하를 겪지 않는 능력)이 너무 달라서 이를 병합할 방법이 현재로서는 없습니다.

병합할 수 없다는 것은 처리 시스템과 다양한 캐시(최신 CPU를 생각할 때)와 외부 메모리 풀(시중에 나와 있는 최고의 DDR5 키트)간에 정보가 지속적으로 흘러야 한다는 것을 의미합니다. 컴퓨팅에서는 이를 폰 노이만의 병목 현상이라고 하는데, 이는 메모리와 처리 기능이 분리된 시스템은 둘 사이의 대역폭(일반적으로 버스라고 부르는 것)에 의해 근본적으로 제한된다는 것을 의미합니다. 그렇기 때문에 모든 반도체 설계 회사(인텔부터 AMD, 엔비디아, 기타 여러 회사)는 인피니티 패브릭 및 NV링크와 같이 이러한 정보 교환을 가속화하는 전용 하드웨어를 설계합니다.

문제는 이러한 정보 교환에는 에너지 비용이 발생하며, 이 에너지 비용으로 인해 현재 달성 가능한 성능의 상한선이 제한되고 있다는 것입니다. 에너지가 순환할 때 내재된 손실이 발생하여 전력 소비가 증가하고(현재 하드웨어 설계의 한계이자 반도체 설계의 우선 순위가 높아지고 있음), 열이 발생하기 때문에 무어의 법칙을 한동안 앞당기기 위해 점점 더 이색적인 냉각 솔루션이 개발되고 있다는 점을 기억하세요. 물론 머지않은 미래에 컴퓨팅이 전 세계 에너지 수요의 30%를 소비할 것으로 예상되는 만큼 지속가능성이라는 요소도 있습니다.

논문 제1저자인 케임브리지 재료과학 및 야금학과의 마르쿠스 헬렌브란트 박사는 "에너지 수요의 폭발적인 증가는 현재 컴퓨터 메모리 기술의 단점 때문"이라고 말합니다. "기존 컴퓨팅에서는 한쪽에는 메모리가 있고 다른 쪽에는 프로세싱이 있으며, 데이터가 둘 사이에서 뒤섞여 에너지와 시간이 모두 소요됩니다."

메모리와 프로세싱을 병합하면 상상할 수 있듯이 엄청난 이점이 있습니다. 기존 메모리는 두 가지 상태('이진' 명명법의 원인인 1 또는 0)만 가능하지만, 저항 스위칭 메모리 장치는 다양한 상태를 통해 저항을 변경할 수 있습니다. 따라서 더 다양한 전압에서 작동할 수 있으며, 이를 통해 더 많은 정보를 인코딩할 수 있습니다. 충분히 높은 수준에서 이는 NAND 영역에서 일어나는 것과 거의 동일한 프로세스로, 셀당 비트가 증가하면 메모리 셀의 설계에서 가능한 전압 상태의 수가 더 많아집니다.

처리와 저장을 구분하는 한 가지 방법은 처리란 스위칭 주기가 요청하는 만큼 빠르게 정보를 쓰기 및 다시 쓰기(더하기 또는 빼기, 변환 또는 재구성)하는 것을 의미한다고 말하는 것입니다. 저장이란 정보가 Windows 또는 Linux 커널의 일부이기 때문에 더 오랜 기간 동안 정적으로 유지되어야 한다는 것을 의미합니다.

논문에서 언급했듯이 이러한 시냅스 장치를 제작하기 위해 연구팀은 균일성 문제로 알려진 재료 공학적 병목 현상을 해결할 방법을 찾아야 했습니다. 하프늄 산화물(HfO2)은 원자 수준에서 어떤 구조도 가지고 있지 않기 때문에 절연 특성을 만들거나 깨뜨릴 수 있는 하프늄과 산소 원자가 무작위로 증착되어 있습니다. 이로 인해 전자(전력)를 전도하는 데 적용하는 데 제한이 있습니다.