기사 원문 - https://www.tomshardware.com/tech-industry/new-cambridge-human-brain-inspired-chip-could-slash-ai-energy-use
　

케임브리지 대학교 연구진은 이달 초 과학 저널 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 에 새로운 유형의 하프늄 산화물 멤리스터에 대한 논문을 발표했습니다. 이 신기술의 가장 큰 특징은 기존 산화물 기반 소자보다 약 백만 배 낮은 스위칭 전류에서 작동한다는 점입니다.

케임브리지 재료과학 및 금속학과 바박 바킷 박사가 이끄는 연구팀은 내부 pn 접합을 형성하는 다성분 박막을 설계하여, 10나노암페어 미만의 전류에서 소자가 원활하게 상태를 전환하는 동시에 수백 가지의 서로 다른 전도도 수준을 생성할 수 있도록 했습니다.

멤리스터는 데이터를 동일한 물리적 위치에 저장하고 처리할 수 있는 2단자 소자로, 기존 컴퓨터 아키텍처에서처럼 별도의 메모리와 처리 장치 간에 데이터를 주고받는 데 드는 에너지 소모를 줄여줍니다. 논문에 따르면, 멤리스터로 구축된 뉴로모픽 시스템은 컴퓨팅 전력 소비를 70% 이상 줄일 수 있습니다.

기존의 HfO2 기반 멤리스터는 대부분 필라멘트형 저항 스위칭에 의존하는데, 이는 산화물 내부에서 전도성 경로가 성장하고 파열되는 현상입니다. 이러한 필라멘트는 확률적 거동을 보여 소자 간 및 사이클 간 균일성이 떨어지고, 결과적으로 계산 정확도가 제한됩니다.

다른 접근 방식 - 스트론튬과 티타늄 첨가

케임브리지 연구팀은 하프늄 산화물에 스트론튬과 티타늄을 첨가하고 2단계 공정을 통해 박막을 증착하는 다른 접근 방식을 취했습니다. 이를 통해 p형 Hf(Sr,Ti)O2 층이 형성되고, 이 층은 하부의 n형 티타늄 산질화물 층과 pn 이종 계면을 자가 조립합니다. 저항 변화는 필라멘트의 성장이나 파괴가 아닌, 이 계면에서의 에너지 장벽 높이 변화에 의해 발생합니다.

"필라멘트형 소자는 무작위적인 동작 문제를 가지고 있습니다."라고 바킷은 캠브리지 대학의 보도자료 에서 밝혔습니다. "하지만 저희 소자는 인터페이스에서 스위칭되기 때문에 사이클 간, 그리고 소자 간에 탁월한 균일성을 보여줍니다."

이 장치들은 10⁻⁸ 암페어 이하의 스위칭 전류 , 10⁵초 이상의 유지 시간 , 그리고 5만 회 이상의 펄스 스위칭 주기 동안의 내구성을 보여주었습니다. 생물학적 신경 신호와 유사한 동일한 1.0V 스파이크를 사용하여 연구진은 포화 없이 수백 개의 서로 다른 레벨에 걸쳐 50배가 넘는 전도도 변조 범위를 달성했습니다.

시냅스 업데이트 에너지는 약 2.5 피코줄에서 약 45 펨토줄까지 다양했습니다. 또한 이 장치들은 스파이크 타이밍 의존적 가소성을 재현했으며 약 4만 개의 전자 스파이크에 걸쳐 안정적인 시냅스 작동을 유지했습니다.

한 가지 중요한 장애물이 남아 있습니다.

현재 증착 공정에는 약 700°C의 온도가 필요하며, 이는 표준 CMOS 제조 허용 오차를 초과합니다. 바킷은 "이것이 현재 우리 소자 제조 공정의 주요 과제입니다."라고 말하며, "하지만 우리는 온도를 낮춰 표준 산업 공정과 더욱 호환되도록 하는 방법을 연구하고 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이 장치 스택에 사용된 모든 재료는 CMOS와 완벽하게 호환되며, Cambridge Enterprise를 통해 특허 출원이 제출되었습니다 .