한양대학교 융합전자공학부 박진섭 멤버십토토와 박재근 멤버십토토 연구팀은 루테늄(Ru) 기반의 초저전력 시냅틱 멤리스터 소자를 개발하고, 그 동작 메커니즘을 규명했다고, 8일 밝혔다.

인간의 뇌를 모방한 신경형 컴퓨팅(뉴로모픽 컴퓨팅)은 뇌의 뉴런과 시냅스를 전자 소자로 구현하여 대규모 데이터를 효율적으로 처리하는 기술이다. 이를 위해서는 인공 시냅스 소자가 선형적이고 대칭적이며 초저전력으로 동작할 수 있어야 한다. 박진섭 멤버십토토와 박재근 멤버십토토팀은 바로 이러한 요구를 만족하는 루테늄 기반의 시냅스 소자를 개발했다.

연구팀은 심층 이온 거동 분석법을 통해 루테늄 기반 시냅스 소자가 기존 멤리스터들과 다른 점을 발견했다. 기존의 멤리스터는 주로 산소 이온 또는 금속 이온 이동에 의해서만 저항 스위칭이 일어났으나, 이번 연구에서는 루테늄 이온과 산소 이온이 동시에 저항 변화 현상(resistive switching)에 관여한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 연구팀은 이를 하이브리드 시냅틱 멤리스터로 명명했다.

루테늄 기반 하이브리드 시냅틱 멤리스터는 기존의 멤리스터와 비교하여 적게는 100배, 많게는 1000배 이상 낮은 on-current를 나타낸다. 이를 밝혀내기 위해 연구팀은 루테늄 이온의 이동거리와 switching time을 분석했으며, 그 결과 루테늄 이온이 산소 이온이나 은(Ag) 이온보다 상대적으로 낮은 이동도를 가지는 특성 덕분에 초저전력 스위칭이 가능함을 증명했다.

이번 연구에서 개발된 루테늄 기반 시냅스 소자는 딥 뉴럴 네트워크(DNN) 시뮬레이션을 통해 뛰어난 학습 성능을 보였다. 기존의 산소공공(oxygen vacancy) 기반 멤리스터와 비교해 34,545배 낮은 전력으로 더 빠르고 안정적인 학습이 가능함을 입증했다. 또한, Ag 기반 멤리스터와 비교하여도 12,916배 낮은 전력을 요구하면서도 효율적으로 학습을 수행할 수 있었다.

박진섭 교수는 “이번 연구는 초거대 신경망 시스템에서 빠르고 안정적이며 초저전력으로 동작할 수 있는 시냅스 소자의 가능성을 제시한 중요한 성과”라며, “추후 연구에서는 이 소자를 실제 large-scale 시스템에 적용하기 위한 가능성 평가를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

해당 논문 「Unveiling the Resistive Switching Mechanism and Low Current Dynamics of Ru-based Hybrid Synaptic Memristors」는 반도체 분야 최고 국제 저널 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ (피인용지수 19.0, 재료 분야 세계 상위 4%)에 10월 21일자로 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 한양대 나노반도체공학과 우대성 박사과정이 제1저자로 참여하고, 박진섭 교수와 박재근 교수는 공동 교신 저자로 참여했다.