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  • 김남영교수(전자공학과) 연구팀, 인간의 뇌의 동작원리를 모사한 포토닉 인메모리 컴퓨팅을 위한 제4소자인 멤리스터 개발 성공

    조회수 859 | 작성일 2022.12.09 | 수정일 2022.12.09 | 홍보팀

  • 김남영교수(전자공학과) 연구팀, 인간의 뇌의 동작원리를 모사한 

    포토닉 인메모리 컴퓨팅을 위한 제4소자인 멤리스터 개발 성공

    - JCR 1% Q1, IF: 19.069 과학전문지 Nano Energy 게재 -

    - 인간의 뇌의 동작원리를 가깝게 모사하여 인지 기능을 하는 포토닉 인메모리 컴퓨팅을 위한 제4소자인 멤리스터 개발에 성공 -

     

     

    광운대학교 김남영교수(전자공학과) 연구팀은 전자공학과 왕문효 박사과정(1저자)과 함께 인간의 인지 기능을 모사한 제4소자인 멤리스트를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

     

    <(좌)왕문효 박사과정 연구원 (우)김남영 교수>
 

    <()왕문효 박사과정 연구원 ()김남영 교수>

     

    인간의 뇌가 학습하고 연산하는 과정을 모방하여 컴퓨터의 연산 구조 형태를 인공 신경망 형태로 모방하여 인간의 학습능력을 모사하고자 하는 뉴로모픽 공학의 핵심인 제4의 소자 (레지스터, 인덕터, 커패시터 이외의 소자)인 멤리스트를 개발하였다. 멤리스트는 뇌의 뉴런이 정보를 처리하는 각각의 코어와 같은 역할을 하며, 뉴런들 사이는 시냅스로 연결되어 있어서 이를 통해 뉴런 간에 스파이크 신호(활동전위)를 주고받아 정보를 처리한다는 역할을 한다.

    저장 및 처리가 필요한 데이터의 양이 증가함에 따라, 전통적인 폰 노이만 아키텍처는 낮은 전송 속도와 높은 전력 소비로 인해 몇 가지 병목 현상에 직면했다. 최근에는 단위 셀에 통합된 메모리와 중앙 처리를 특징으로 하며, 인간의 뇌처럼 효율적인 병렬 처리 모드를 갖는 인메모리 컴퓨팅 기술이 상당한 관심을 끌고 있으며, 전통적인 컴퓨터 아키텍처를 전복시킬 것으로 기대되고 있다. 인메모리 컴퓨팅을 개발하기 위해 다양한 새로운 전자 장치가 제안되었으며, 멤리스터는 비휘발성이고 고유한 전하 전달 특성으로 인해 빠른 응답과 낮은 전력 소비로 효과적인 인 메모리 컴퓨팅을 보여준다. 특히 본 연구를 통하여 개발한 전기-광 제어 방식은 다목적이고 효율적인 광 멤리스터 장치의 개발에 효과적이며, 전기장과 결합된 광 자극의 사용은 제어 가능하고 비접촉이며 비파괴적이며 저전력 소비 특성 때문에 인메모리 컴퓨팅에서 매우 획기적이다.

    본 연구팀은 광인메모리 컴퓨팅 응용 분야에서 유망한 잠재력을 보이는 오산화탄탈륨(Ta2O5,Ta2O5-x) 기반 포토닉 멤리스터를 세계 최초로 개발하였으며, 포토닉 인 메모리 컴퓨팅의 개발을 위해 프로그래밍 가능한 포토닉 부울 논리 회로를 단순화하였다. 이러한 멤리스터는 Ta2O5Ta2O5-x(비화학량론적 비율을 갖는) 박막이 교대로 성장하여 최종적으로 Ag 전극에 의해 피복된 도핑된 N-Si 기판을 사용한다. Ta2O5Ta2O5-x 필름의 성장 시퀀스가 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 결과는 성장 시퀀스를 조정하여 WORM(Write-Once-Read-Many) 메모리와 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM) 간의 전환을 달성할 수 있음을 보여준다. 그리고 WORM RRAM 장치의 다단계 저항 스위칭 거동을 준수 전류를 조정하여 조사하였다. 저항 스위칭 메커니즘은 피팅 곡선으로 설명할 수 있으며, 전도성 원자력 현미경(C-AFM)과 켈빈 프로브력 현미경(KPFM)을 이용하여 설명할 수 있으며, Ag/ Ta2O5-x/Ta2O5/N-Si 소자를 기반으로 멀티밴드 광제어 특성을 분석하였다.

     

     

    [광전자 메모리 컴퓨팅 응용을 위한 오산화 탄탈륨 기반 멤리스터 (a) 인메모리 컴퓨팅 개념의 개략도 (b) 박막의 제조 (c) (d) 단면의TEM 이미지] 

    [광전자 메모리 컴퓨팅 응용을 위한 오산화 탄탈륨 기반 멤리스터 (a) 인메모리 컴퓨팅 개념의 개략도 (b) 박막의 제조 (c) (d) 단면의TEM 이미지]

     

    이번 연구는 교육부에서 지원하는 한국연구재단(NRF) 중점연구소 지원사업과 한국 환경부(MOE) 대학원을 통한 기초 과학 연구 프로그램의 지원을 받았습니다. 연구결과는 그 성과를 인정받아Elsevier 에서 발간하는 국제 저명 논문지인 Nano Energy (IF=19.069) “Tantalum Pentoxide (Ta2O5 and Ta2O5-x)-based Memristor for Photonic In-Memory Computing Application”제목으로 실렸다.

    (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108072)

     

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