하이브리드 멤리스터 AI 칩으로 확장 가능

과학자들은 원자적으로 얇은 장치를 기존 마이크로칩과 결합하여 표준 전자 장치보다 훨씬 더 에너지 효율적인 방식으로 신경망 인공 지능 시스템을 구현하는 데 도움이 될 수 있는 뇌 모방 하이브리드 전자 장치를 만들었다는 새로운 연구 결과가 나왔습니다.

전자 장치가 점점 더 작아짐에 따라 과학자들은 차세대 전자 장치를 위해 원자적으로 얇은 2D 재료를 연구하고 있습니다. 예를 들어, 그래핀은 단일 층의 탄소 원자로 구성되며, 이황화 몰리브덴은 두 층의 황 원자 사이에 끼워진 몰리브덴 원자 시트로 구성됩니다.

"2차원 재료는 최첨단 전기적 성능을 가질 뿐만 아니라 뛰어난 열적, 기계적, 광학적, 화학적 특성을 가지므로 현재 존재하지 않는 새로운 응용 분야가 될 수 있습니다."라고 연구 수석 저자인 Mario는 말합니다. Lanza는 사우디아라비아 Thuwal에 위치한 King Abdullah 과학 기술 대학교의 재료 과학 및 공학 부교수입니다.

"대부분의 사람들의 전문 지식은 반도체에 있습니다. 우리는 절연체 전문가입니다." - Mario Lanza, King Abdullah 과학 기술 대학교

여러 연구팀이 2D 재료를 기반으로 한 프로토타입 장치를 개발했습니다. 그러나 데이터를 계산하거나 저장하는 능력을 보여준 사람은 없습니다. 또한, 이들의 제조는 표준 산업 기술과 호환되지 않는 합성 및 가공 방법에 주로 의존했습니다. 또한, 단일층 2D 재료를 성장시킨 표면에서 응용 분야에 더 유용한 기판으로 옮길 때 결함이 발생할 수 있기 때문에 조작하기가 어렵습니다. 이러한 결함은 장치 일관성과 수율을 감소시킵니다.

이제 과학자들은 모두 반도체 산업과 호환되는 프로세스를 사용하여 2D 재료로 제작된 최초의 조밀하게 통합된 마이크로칩을 만들었습니다. "우리는 우수한 특성을 달성했을 뿐만 아니라 높은 수율과 낮은 변동성을 달성했습니다."라고 Lanza는 말합니다.

새로운 연구에서 연구자들은 육각형 질화붕소를 실험했습니다. 이 원자적으로 얇은 세라믹은 종종 2D 전자 장치의 절연 재료로 사용됩니다. "대부분의 사람들의 전문 지식은 반도체에 있습니다"라고 Lanza는 말합니다. "우리는 절연체 전문가입니다."

과학자들은 2D 재료를 기반으로 한 이전 장치가 직면한 여러 가지 과제를 극복하고 싶었습니다. 예를 들어 Lanza와 그의 동료들은 2D 재료로 트랜지스터를 제작하는 대신 멤리스터를 만드는 것을 목표로 삼았습니다. 멤리스터 또는 메모리 저항기는 본질적으로 전원이 꺼진 후 어떤 전기 상태로 전환되었는지 기억할 수 있는 스위치입니다.

이 하이브리드 2D/CMOS 마이크로칩은 기억력 애플리케이션에 대한 가능성을 보여줍니다.Mario Lanza

"대부분의 그룹은 트랜지스터에 초점을 맞추고 있습니다. 아마도 트랜지스터가 전자 제품의 주요 구성 요소이기 때문일 것입니다."라고 Lanza는 말합니다. "대신에 우리는 현재 시장 규모가 훨씬 작지만 데이터 저장, 계산, 암호화 및 통신에 대한 엄청난 잠재력을 가지고 있는 멤리스터에 중점을 두었습니다."

전 세계의 과학자들은 멤리스터 및 유사한 구성 요소를 사용하여 뉴런처럼 데이터를 계산하고 저장할 수 있는 전자 장치를 구축하기를 희망합니다. 이러한 기억 장치는 기존 마이크로칩이 프로세서와 메모리 사이에서 데이터를 앞뒤로 섞을 때 손실되는 에너지와 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 뇌에서 영감을 얻은 신경형 하드웨어는 신경망 구현에 이상적인 것으로 입증될 수도 있습니다. 이러한 AI 시스템은 자율주행차 지원, 의료 스캔 분석 등의 애플리케이션에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

멤리스터는 "결함을 견딜 수 있는 간단한 장치"라고 Lanza는 말합니다. 대조적으로, 트랜지스터는 "완벽한 결정 물질을 요구한다"고 그는 설명했다. Lanza는 멤리스터가 트랜지스터에서 발생하는 접촉 저항, 즉 다른 부품과의 접촉 지점에서의 전기 저항과 같은 다른 문제도 겪지 않는다고 지적합니다.

또한 대부분의 이전 연구에서는 두께가 1~2개 층인 2D 재료에 의존했지만 Lanza와 그의 동료들은 총 두께가 약 6nm인 대략 18개 층으로 구성된 2D 재료 시트를 사용했습니다. Lanza는 "이 두꺼운 재료는 깨지기 쉽지 않습니다"라고 말했습니다.