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반도체 열‘시공간 정보’로 바꿔 컴퓨팅
“뉴런 모방한 컴퓨팅 시스템 구현 쉬워” 말레이시아 페낭 공장에서 인텔의 중앙처리장치(CPU)가 발열 테스트 공정을 거치고 있는 모습./인텔 
국내 연구진이 반도체에서 나온 열을 컴퓨팅에 활용하는 기술을 개발했다.반도체 성능을 낮추는 열을 시공간 정보로 활용해 기존보다 100만분의 1 수준의 낮은 에너지로 컴퓨팅을 수행할 수 있다.이번 연구는 전기 신호라는 틀에 갇혀 있던 반도체 분야에‘열 신호’라는 새로운 가능성을 제시했다.
김경민 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구팀은 산화물 반도체의 열-전기 상호작용을 이용한‘열 컴퓨팅’기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
기존 반도체 소자는 작동할 때 열을 내뿜는다.반도체에서 나온 열은 에너지 소모량을 높이고,마카비 하이파반도체가 정상적으로 동작하는 것을 방해한다.앞선 연구들은 반도체의 열을 최대한 줄이는 방법을 고안하는 데 집중했다. 김경민 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구팀이 개발한 모트 전이 반도체 기반 '열 컴퓨팅' 기술 개념도./KAIST 
연구진은 오히려 반도체의 열을 컴퓨팅에 활용했다.전기와 열 상호작용이 강한‘모트 전이 반도체’를 활용해 반도체 소자가 열을 저장하고 전달하도록 했다.연구진은 낮은 열전도도와 높은 비열(比熱)을 가진 폴리이미드 기판에 모트 전이 반도체 소자를 만들었다.폴리이미드는 기계적 강도와 유연성,마카비 하이파내열성이 우수한 고분자 소재로 디스플레이·태양전지 같은 다양한 분야에 사용된다.
모트 전이 반도체 소자에서 발생한 열은 폴리이미드 기판에 저장된다.저장된 열은 일정 시간 유지되며 시간 정보가 된다.또 열은 이웃 소자로 전파되며 공간 정보가 된다.연구진은 열 정보를 시공간적으로 활용해 경로 찾기 같은 최적화 문제를 풀었다.열 컴퓨팅 기술은 현재 주로 사용되는 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU)보다 100만분의 1 수준의 에너지를 소모한다.
김경민 교수는 “단순히 전기 신호만 사용한 컴퓨팅 기술은 한계에 이르렀다”며 “열은 저장할 수 있고 전달하는 특성이 있어 잘 활용하면 컴퓨팅에서 매우 유용하게 쓰일 수 있다”고 설명했다.이어 “열 컴퓨팅 기술은 뉴런과 같은 신경계의 복잡한 신호도 간단히 구현할 수 있다”고 했다.
이번 연구는 한국연구재단과 나노종합기술원,마카비 하이파KAIST의 지원을 받았다.연구 결과는 재료 분야 국제 학술지‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 지난 18일 게재됐다.
참고 자료
Nature Materials(2024),마카비 하이파DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-01913-0
