우리가 아는 고체 반도체가 아닌 완전히 유연한 저항성 램(Randon Access Memory)이 개발됐다. ‘플렉스 램’(FlexRAM)이라 불리는 이 메모리는 ‘액체 메모리’라는 접근방식이 적용됐다. 베이징 칭와대 연구원들은 갈륨(Ga) 기반 액체 금속을 사용한 메모리로 데이터 읽기와 쓰기 과정을 실현했다는 연구성과를 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials) 저널 2023년 12월 1일 자에 발표했다. 이는 지난 1967년 미국 IBM연구원이던 로버트 히드 레나드가 최초의 트랜지스터 D램을 개발해 이듬해 특허를 받은 지 무려 56년 만에 반도체 메모리 형태와 활용에서 근본적 변화를 가져올 획기적 사건중 하나로 꼽힐 만 하다. 중국 칭와대 연구진의 액체금속 반도체 메모리 개발 성과는 아직 초기지만 혁신이라 부를 만 하다. 액체금속이라는 특유의 유연성을 바탕으로 기존 전자기기 메모리 고유의 경직성 한계를 극복할 뿐 아니라 뉴로모픽(신경을 흉내낸)장치를 혁신할 수 있는 새로운 가능성을 열어줌으로써 미래의 소프트 로봇, 웨어러블 전자 및 바이오 기반 인공지능(AI)시스템에 적용할 근본적이고 실용적인 방법을 제공할 것으로 기대를 모으고 있기 때문이다. 중국연구진은 완전히 유연한 메모리 연구과정에 대해 인간 뇌의 분극(分極) 및 탈분극(脫分極) 메커니즘에서 영감을 받아 새로운 종류의 저장 원리를 제안했고 액체 금속의 산화 및 환원 동작을 도입했다고 말했다. 이들은 가역적 전기화학적 산화가 타깃 액체 금속의 전체 전도도를 조절하기 위해 사용됐고, 바이너리(2진법) 데이터 저장을 위한 11단계의 실질적 저항 차이를 만들어냈다고도 밝혔다. 중국 연구진의 액체금속 메모리 개발 내용과 성과에 대해 소개한다. 이와함께 이 성과의 의미를 보여줄 전자기기용 메모리 개발 및 상용화의 큰 흐름을 진공관 메모리, CRT메모리, 자기저항 메모리, 트랜지스터D램을 통해 간단히 소개한다. 삼성전자는 세계 1위 메모리 공급사이고 우리나라 SK하이닉스가 지난해 11월 현존 세계 최고 속도를 가진 모바일 D램 ‘LPPDDR5T’(9.6Gbs 전송, 16GB 패키지)를 상용화했지만 중국은 첨단산업의 다양한 분야에서 서서히 우리를 위협하고 있다. 메모리 반도체 분야에서의 이번 ‘액체금속 반도체 개발’ 성과도 그 중 하나다.

거의 모든 변형 견디는 액체금속메모리···성능·재료·메커니즘

중국 칭와대 연구원들이 개발한 ‘플렉스 램’은 전원을 끄더라도 저장된 데이터가 지속되는 특이한 현상을 갖는다. 이들이 완성한 플렉스 램은 산소가 부족하거나 없는 환경에서도 ▲빠른 저장 속도(33Hz 이상) ▲긴 데이터 보존 시간(4만 3200초 이상·약 12시간) ▲안정적 반복 가능한 사용성(3500여 작동 사이클)을 포함한 뛰어난 성능 지표를 보여주었다. 이 시제품은 플렉스램 유닛 8개로 된 어레이로 1바이트의 정보를 저장할 수 있다.

이 메모리로 최적의 저장 성능을 얻기 위해 여러 변수 아래서의 체계적인 최적화가 수행됐다. 개념적인 실험 결과 이 액체금속 메모리는 극도의 변형(100% 전연(展延)), 180° 굽힘, 360° 비틀림) 하에서 메모리의 안정성을 보여주었다.

이 액체 메모리의 재료는 생체 모방의 한 예를 본따 만들어진 갈륨 기반 액체 금속(Gallium-based Liquid Metal·GLM)이다. 이 액체금속 방울(液滴)은 뉴런의 과분극(過分極)과 탈분극(脫分極)을 모방한 용액(솔루션) 환경에서 산화와 환원 메커니즘을 거친다.

여기서 양의 바이어스 전압과 음의 바이어스 전압은 각각 정보 ‘1’과 ‘0’을 기록하는 것을 정의한다. 낮은 전압이 인가되면 액체 금속이 산화되는데 이는 고저항 상태인 ‘1’에 해당한다. 전압 극성을 반대로 함으로써 금속을 초기 저저항 상태인 ‘0’으로 되돌린다. 플렉서블 램은 이 가역적인 스위칭 과정을 통해 데이터를 저장하고 지울 수 있게 된다.

칭와대 연구원들은 플렉스램의 읽기와 쓰기 능력을 보여주기 위해 그것을 소프트웨어(SW)와 하드웨어(HW) 설정으로 통합했다. 그들은 컴퓨터 명령을 통해 1바이트의 데이터 정보와 맞먹는 0과 1의 형태로 표현되는 일련의 문자와 숫자들을 8개의 플렉스램 저장 유닛 어레이에 인코딩했다.

컴퓨터에서 나온 디지털 신호는 액체 금속의 산화와 환원을 정확하게 제어하기 위해 펄스 폭 변조를 사용하는 아날로그 신호로 변환됐다.

류 징 칭와대 생명의료공학과 교수는 “현재 개발된 액체 메모리 원형은 휘발성 메모리다. 그러나 이 메모리 원리는 이 장치를 다른 형태의 메모리로 발전시킬 수 있게 한다”고 주장한다.

mm~나노급 유연한 메모리···다양한 활용도 주목

류 교수는 “이 혁신은 유연한 메모리에 대한 전통적 개념을 근본적으로 변화시켜 미래의 소프트 지능 로봇, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 시스템, 웨어러블/임플란트 가능한 전자 기기에 대한 이론적 기반과 기술적 경로를 제공한다”고 말했다.

갈륨기반 액체 금속(GLM) 방울은 신축성 있는 생체 고분자화합물인 에코플렉스(Ecoflex) 안에 들어 있다. 연구원들은 3D 프린터를 사용해 에코플렉스 금형을 인쇄하고 갈륨계 액체 금속 방울과 폴리비닐아세테이트 하이드로겔 용액을 금형의 공동(空洞)에 별도로 주입했다. 하이드로겔은 용액 누출을 방지할 뿐만 아니라 장치의 기계적 특성을 향상시켜 저항률을 높인다.

류 교수는 “이 개념적 시연 단계에서 mm급 해상도의 몰딩은 작동 원리를 입증하기에 충분하다”고 말했다.

그는 “이러한 플렉스램 장치에 대해 생각할 수 있는 크기 척도는 광범위하다. 예를 들어 각 액체방울(液滴) 메모리 부품의 크기는 mm~나노미터(1나노=10억분의 1m) 크기일 수 있다. 흥미롭게도 이 연구에서 밝혀진 바와 같이, 액적 크기가 작을수록 메모리 반응이 민감해진다”고 말했다.

이 획기적인 연구는 IBM의 스튜어트 파킨(Stuart Parkin)과 같은 연구자들이 10여 년 전에 제안한 개념과 일치하면서 뇌와 같은 회로를 실현할 수 있는 길을 열어준다.

류는 “플렉스램은 전체 액체 기반 컴퓨팅 시스템에 통합돼 논리 디바이스로 기능할 수 있다”과 봤다.

연구원들과 엔지니어들이 계속해서 문제를 해결하고 기술을 개선함에 따라, 플렉스 램이 SW, 로봇, 뇌-기계 인터페이스(BCI) 시스템, 웨어러블/임플란트 전자 분야에서 적용될 가능성은 엄청날 수 있다.

진공관 메모리에서 액체금속 메모리까지

이 액체금속 메모리가 등장하기까지 어떤 기술적 발전 변화를 거쳤을까.

그 시작은 진공관이었고 이어 딜레이라인, 윌리엄스-킬번 큐브(관), 브라운관(CRT) 메모리, 마그네틱코어메모리를 거쳐 트랜지스터 D램에 이르게 된다. 반도체 D램은 1967년 IBM의 연구원이었던 데나드로부터 시작되다. 그는 단 하나의 트랜지스터만 사용함으로써 메모리 셀 크기를 획기적으로 줄여주는 혁신적 발명(트랜지스터 D램)을 했고 D램은 1970년대 중반에 이르면서 거의 모든 컴퓨터에서 표준이 됐다. 데나드의 발명의 궁극적 효과는 칩 하나로 오늘날의 컴퓨터에 10억 개 이상의 램 셀을 저장할 수 있다는 것이었다. 그리고 이는 컴퓨터는 물론 모바일기기에도 엄청나게 활용된다. 오늘날 가장 빠른 속도(1.6Gbps)로 많은 양의 데이터를 전송하는 모바일 메모리는 SK하이닉스다. 이 회사는 지난해 11월 ‘LPDDR5T’(Low Power Double Data Rate 5 Turbo)의 16GB(기가바이트) 패키지 메모리 상용화 소식을 발표했다.

1◆진공관 메모리

1946년 펜실베이니아대에서 가동되기 시작한 에니악은 최초의 범용 디지털 컴퓨터였다. 미군의 포사격 거리 계산 등에 사용됐다. 여기에는 진공관으로 만들어진 아주 적은 양의 메모리가 사용됐다. 사실 이 컴퓨터에는 메모리 이외의 용도로 사용되는 진공관을 포함해 모두 1만7000여개라는 엄청난 수의 진공관이 사용됐다. 이 컴퓨터로는 10자리 숫자 20개를 계산할 수 있었다.

에니악보다 3년 앞서 1943년 만들어진 영국의 진공관 컴퓨터 ‘컬로서스’는 비밀리에 운용된 컴퓨터였다. 이 컴퓨터는 제 2차 세계대전중 영국 정보국이 암호분석 전문가들을 모아놓은 블레츨리 파크에서 독일 암호를 해독하는 데 사용됐다. 이를 작동시킬 때 8.5kW가 소모됐고, 1600개의 진공관이 사용됐다. 통상 진공관은 2일에 한 번꼴로 고장이 나며, 이를 찾아내 교체해야 했다. 교체에 걸리는 시간만 약 15분이었다.

당시까지만 해도 혁명적이었던 진공관의 커다란 단점은 엄청난 가동 전력과 신뢰성 부족이었다. 에니악 진공관의 메모리 용량은 얼마였을까. 전시에 사용된 에니악에는 20개의 숫자를 저장할 수 있었지만, 사용된 진공관 레지스터는 너무 비싸서 몇 개 이상의 숫자를 저장할 수 없었다.

2◆브라운관(CRT) 저장장치(윌리엄스-킬번 튜브)

메모리 저장장치의 다음 단계로 중요한 것으로 평판TV 이전 브라운관TV에 들어간 브라운관(음극선관·CRT) 화면과 매우 유사한 커다란 진공관이다. 이른바 윌리엄스-킬번 튜브(관)다.

발명가 프레디 윌리엄스와 톰 킬번의 이름을 딴 이 CRT메모리는 컴퓨터 메모리의 초기 형태다. 이 튜브는 최초의 디지털 랜덤 액세스(램) 저장 장치였으며 몇몇 초기 컴퓨터에서 성공적으로 사용됐다.

윌리엄스-킬번 튜브의 데이터 저장은 브라운관(CRT)에 점들의 격자를 표시하는 방식으로 이뤄진다.

CRT의 작동 방식 때문에 이것은 각 점 위에 작은 정전기 전하를 만든다. 각 점의 위치에 있는 전하는 디스플레이 바로 앞에 있는 얇은 금속 시트에 의해 읽힌다.

데이터는 아주 잠깐 동안 저장되었으므로(디스플레이가 시간이 지남에 따라 희미해졌기 때문에) 주기적으로 계속해서 리프레시해 줘야 했다.

3◆마그네틱코어 메모리(자기저항메모리)

1940년대 후반에 매사추세츠공대(MIT)의 제이 포레스터같은 몇몇 연구자들이 마그네틱(자기)코어 메모리를 개발했다. 이 메모리는 코어라고 불리는 작은 자기(자석) 고리로 구성돼 있다. 전선은 코어들을 꿰고 지나가면서 이를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 자화(磁化)되도록 했다.

자기의 방향은 데이터 1 비트(‘0’또는 ‘1’)를 나타낸다. 흥미롭게도 비트를 읽고 나면 항상 ‘0’이 된다. 따라서 ‘1’이 읽혀지면, 정보를 계속 유지하기 위해 다시 쓰여져야만 했다. 자기 코어는 지속적으로 정보를 리프레쉬해 줘야 했던 이전 기술들과 달리 기록된 정보가 그대로 남아 있다는 큰 이점이 있다.

마그네틱 코어 메모리는 1950년대부터 1970년대까지 표준 메모리 기술이었다. 하지만 이 메모리는 부피가 크고 많은 전력을 먹어치우는 배선과 자석의 정교한 시스템(마그네틱코어 메모리)을 필요로 했다. 게다가 마그네틱코어 메모리는 꽤 비쌌다. 이 기술은 반도체 메모리가 개발되면서 인기를 잃었다.

4◆반도체 D램 발명가 레나드에서 세계 최고속 D램까지

1966년에 IBM연구원이던 로버트 히드 데나드와 그의 연구팀은 당시의 데이터저장용 표준이던 6개 트랜지스터로 된 메모리 셀을 사용해 전계효과 트랜지스터(FET)와 집적회로(IC)를 연구하고 있었다.

이듬해인 1967년 그는 컴퓨터 기술에서 가장 중요한 진보 중 하나로 여겨지는 것을 발명했다. 그 하나가 트랜지스터로 된 동적 랜덤 액세스 메모리, 즉 D램이다. 당시 램은 이미 알려져 있고 사용되고 있던 개념이었다. 하지만 컴퓨터 사용시 쓰고 읽기 위해 보관된 메모리는 전원이 꺼지면 지워졌다.

데나드의 혁신적인 업적은 단 하나의 트랜지스터로 메모리 셀을 만들면서 램 크기를 획기적으로 줄인 것이었다. 그의 핵심 통찰력은 이진(바이너리) 데이터를 양전하 또는 음전하로 커패시터에 저장할 수 있어야 한다는 것을 꿰뚫어 보았다. 수개월간의 실험 끝에 데나드는 램 셀을 작은 커패시터와 단일 전계효과트랜지스터(FET)로 줄임으로써 데이터 라인에서 오가는 데이터의 흐름을 제어할 수 있었다. 데나드의 발명의 궁극적인 효과는 오늘날의 컴퓨터에 칩하나로 100억 개 이상의 램 셀을 저장할 수 있다는 것이었다.

1970년대 초에 최초의 D램 칩이 상업화됐고, 1970년대 중반에 이르러 D램은 거의 모든 컴퓨터에서 표준 메모리가 됐다. 개인용 컴퓨터가 현실적 가능성을 드러내기 시작했을 때 데나드의 메모리 시스템은 복잡한 작업을 수행할 수 있게 해 주었다. 여전히 데스크톱에 적합했고 나중에는 값이 싸졌다.

새로이 등장한 반도체 메모리는 훨씬 더 작고 저렴했다. 메모리 반도체 분야의 초기 대표주자는 인텔이었다. (1970년대 중반 일본반도체 기업의 저가 메모리 공세가 시작되면서 CPU로 주력업종을 바꾼 일은 유명하다.) 오늘날 그 기술은 엄청난 발전에 발전을 거듭하고 있다.

우리나라는 세계 메모리 반도체 시장을 주도하고 있다. 세계 1위 메모리 공급사는 삼성전자다. SK하이닉스는 지난해 11월 세계 최고 속도의 모바일 D램 ‘LPPDDR5T’를 상용화했다고 발표했다. 이 메모리는 9.6Gbps(초당 96억비트의 데이터전송)전송속도를 가진 현존 최고속 모바일용 D램이다.