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시리즈IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단
꿈의 소자로! 삼진법 정보 가지는 솔리톤입자 세계 최초 발견
기초과학연구원
2021.12.24. 12:303,856 읽음
- 에너지 손실과 발열 현상이 없는
꿈의 소자와 인공지능 컴퓨터 구현에 성큼 -
기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단은 실리콘 기판에 형성시킨 단원자폭의 실리콘 원자도선에서 삼진법 정보(0, 1, 2)를 가지고 이동하는 새로운 솔리톤 입자*를 세계 최초로 발견했다. 기존에 비해 월등히 많은 정보를 에너지 손실 없이 처리할 수 있어 인공지능 컴퓨터 구현에 한 걸음 가까이 다가갈 수 있을 것으로 전망된다.
* 솔리톤 입자는 저항 없이 정보를 잃어버리지 않고 안전하게 전달할 수 있는 입자로 대형 지진으로 수천 km를 이동하는 쯔나미도 물리적으로는 솔리톤 현상으로 이해된다.
2013년 염한웅 연구단장은 전하를 가지고 이동하는 단일 솔리톤입자를 최초로 관측했다. 이어 솔리톤입자가 4진법정보(0, 1, 2, 3)를 가지는 것을 증명하고 4진법 연산을 실제 측정하여 솔리토닉스라는 새로운 다진법 정보처리 패러다임을 제시했다.
이전에 발견된 솔리톤과는 달리 이번 연구에서는 2/3과 4/3 분수값 전하를 가지는 새로운 솔리톤입자를 발견했다. 연구진은 반도체소자에 가장 광범위하게 쓰이는 실리콘 기판에 금원자를 증착하여 원자 한 개 폭인 실리콘 원자선 배열을 만들었다. 영하 100도 이하에서 실리콘 원자선이 찌그러지며 나타나는 특이한 구조가 솔리톤 입자 생성조건에 적합하다고 판단하고 실험을 수차례 반복해 새로운 솔리톤 입자를 발견했다.
본 연구는 10년 이상 실험조건을 바꾸며 관측을 거듭한 끝에 결실을 맺었다는 점에서 의미가 크다. 2003년 연구진은 일차원적 원자배열을 가지는 금속의 구조가 주기적으로 찌그러져 반도체가 될 때 솔리톤입자가 발생한다는 것을 이론적으로 예측했다. 이후 연구진이 만든 실리콘 원자선이 실온에서 금속적인 성질을 가지다 저온에서 찌그러지며 반도체로 바뀌는 실리콘 원자선의 상전이 현상을 발견했다. 앞선 연구를 기반으로 면밀한 이론적 검토 끝에 삼진법 소자를 가진 솔리톤입자 존재를 확인했다.
이번에 발견한 솔리톤입자는 약 영하 170도의 저온에서부터 자유롭게 빠른 속도로 움직여 삼진법 정보로 빠르게 전달할 수 있다. 또한 솔리톤입자 고유의 특성 상 주변의 전자들이나 다른 솔리톤입자와의 충돌로 정보가 소멸되지 않아 전기적 저항이 없는 정보 전달체가 될 수 있다.
이러한 성질을 활용하면 실리콘 기판을 사용한 솔리톤 입자에 삼진법 정보를 저장하고 저항이나 발열로 소모되는 에너지 없이 전달하는 꿈의 소자와 컴퓨터를 구현이 가능하다. 이미 오래전부터 삼진법에 기반한 컴퓨터의 기본 원리가 확립되어 있어 실제 전자소자 개발에 응용될 수 있다.
교신저자 염한웅 단장은 “물리학계에서 보기 드물게 세계적으로 주목받는 새로운 소자의 발견과 실용화의 방향성을 동시에 제시한 성과”라고 밝혔다.
이번 연구는 세계적인 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 12월 23일자로 게재됐다.
[그림 1] 삼진법 솔리톤과 개별 솔리톤의 생성 실리콘 기판 (검정색 구로 표현된 원자들) 위에 형성된 실리콘(회색, 하늘색, 빨간색 원자들)과 금원자선 (노란색 원자들).
실리콘 기판에 금을 증착하고 가열하면 특정한 조건에서 자발적으로 실리콘과 금 원자들의 원자선들이 자발적으로 형성된다. 섭씨 영하 100도 이하에서 실리콘 원자선의 구조가 주기적으로 찌그러지고 (빨간색 실리콘 원자들이 하늘색 실리콘 원자들 보다 낮은 위치로 이동) 이로 인해 솔리톤입자가 생성될 조건이 만들어진다.
부분적으로 실리콘 원자선의 찌그러짐이 변화하면 이곳의 전자상태가 변화하여 솔리톤입자를 형성하게 된다. 이 솔리톤 입자는 특이한 전하를 (전자의 전하의 2/3와 4/3 값을 가짐) 가지고 자유롭게 움직이게 된다. 이 전하는 위상학적으로 정해지고 보호되어 다른 전자들과 충돌하지 않으며 솔리톤끼리의 충돌에도 보존되는 특성을 가진다. 이로 인해 전하를 가지고 움직이지만 전기저항이 발생하지 않는다
3진법 컴퓨터
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3진법 컴퓨터는 3진 논리를 사용한 컴퓨터이다. 일반적으로 균형 3진법을 사용한다. 균형 3진법을 쓰면 부호 전환이 간단해지는 장점이 있다.
같은 크기의 소자를 사용해 3진법 컴퓨터를 만들 수 있다면 2진법 컴퓨터보다 실용적이지만 현재는 3진법 논리 회로를 실제로 제작하는 비용이 비싸서 실용화가 되지 못하였다. 광 컴퓨터 및 조셉슨 소자 등 삼진 논리를 적용하기 쉬운 하드웨어가 발전하면 3진 컴퓨터가 대중화될 가능성이 있다.
3진법 반도체의 개발[편집]
울산과학기술원(UNIST) 김경록 연구팀에 의해 2019년 7월 15일 네이쳐지에 초절전 3진법 반도체 기술을 대면적 웨이퍼에 구현하는 기술이 기고되었다. 이 기술의 경우, 전류가 꺼지거나(0) 또는 켜진 상태(1)에서만 정보처리가 가능했다면, 이제는 정보처리가 불가능한 상태인 '누설전류(2)' 상태에서도 정보처리가 가능해진다는 것이다.
이 기술은 기존 이진법 방식보다 계산 속도가 1,000배 이상 빠르고 소비전력도 적어 반도체 칩을 보다 작게 만들 수 있다는 장점이 존재한다. 이번 연구는 삼성전자가 지원하고 있는 삼성미래기술육성센터 사업의 결과이며, 삼성전자는 2017년부터 김경록 교수팀 연구를 지원하면서 파운드리 사업부 팹에서도 상용화할 수 있도록 기술을 검증하고 있다.[1]
제목
1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성
보도일
2017-02-07 12:00
조회
3634
연구단명
원자제어 저차원 전자계 연구단
보도자료
[보도자료]1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성(2.8_조간).hwp
첨부
그림 및 사진.zip
1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성
- '카이럴 솔리톤'간 규칙적 상호전환 첫발견... 신개념 정보처리기술(솔리토닉스) 제시 -
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅)과 포스텍 공동 연구진은 실리콘기판 위에 형성된 1차원 인듐 원자도선1) 구조를 따라 움직이는 카이럴 솔리톤(chiral soliton)이 충돌할 때 서로 간 규칙적인 상호전환이 일어난다는 사실을 최초로 발견했다. 더욱이 이를 4진수 연산체계로 구현해 냄으로써 새로운 정보전달 및 연산소자로서의 가능성을 제시했다.
이전 연구(2015.10, Science)에서 연구진은 인듐 원자도선에서 서로 다른 3 종류의 솔리톤을 발견하고 이를 '카이럴 솔리톤'2)이라고 명명한 바 있다. 솔리톤이란 원자도선 양단이 서로 다른 위상3) 상태일 때 생기는 그 사이의 경계를 말한다. 이 경계에 전자가 한 개씩 갇히게 되는데 선폭이 1nm4)인 원자도선에서 솔리톤의 방향성을 바꿔주면 전자를 한 개씩 이동시킬 수 있게 된다. 이를 활용하면 현재 1 비트5) 인식에 필요한 수십~수백 개의 전자를 하나의 전자로 대체할 수 있다. 외부 간섭이나 충격에 영향을 받지 않는 위상학적 특성을 지닌 솔리톤이 전자를 안정적으로 전달하기 때문이다. 하지만 솔리톤의 안정성은 역설적으로 솔리톤에 정보를 기록하고 바꾸는 것을 어렵게 한다.
또한 안정성으로 인해 솔리톤은 생성이나 소멸만 가능한 것으로 알려져 있었으나, 이번 연구에서는 3 종류의 카이럴 솔리톤 간 상호전환이 가능함을 최초로 밝혔다(그림 1, 2 참조)6). 염한웅 단장은 "1차원 인듐 원자도선에서 다른 종류의 카이럴 솔리톤 간의 충돌을 통해 제3의 카이럴 솔리톤이 만들어질 수 있음을 실험적으로 보였다"며 이번 연구의 의의를 밝혔다.7)
발견된 카이럴 솔리톤 간 상호전환은 에너지적 상태로 인해 늘 일정한 패턴으로 이루어진다. 또한 3 종류의 카이럴 솔리톤과 솔리톤이 존재하지 않는 상태(null)를 함께 조합함으로써 4진수 연산이 가능하다(그림 3 참조). 이를 활용한 소자와 컴퓨터가 구현된다면 현재의 2진법에 기반한 컴퓨터에서보다 월등히 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다.8)
솔리톤의 위상학적 안정성을 활용하여 이전 연구에서는 단전자 소자의 활용가능성을 제시한 데 이어 이번 연구는 저장된 정보의 안정성은 유지하면서 예측과 조작이 가능한 형태로 이 정보들을 변환할 수 있는 다진법 기반의 연산 기술을 확보한 것이다. 연구진은 이러한 새로운 정보처리기술을 '솔리토닉스(solitonics)'라 명명하였다.
카이럴 솔리톤 소자는 다진법에 기반할 뿐 아니라 정보저장과 연산을 동시에 수행함으로써 인간의 뇌를 모방하는 첨단기술로 인공지능 시대의 신개념소자로 각광받고 있는 뉴로모픽 기술의 발전에도 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 또한 실리콘을 기반으로 하므로 기존의 상용 소자기술과 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 신개념 차세대 소자와 인공지능기술 개발의 활성화에도 기여할 것이다.
연구결과는 과학저널 네이쳐 피직스(Nature Physics, IF 18.791) 온라인판에 2월 7일 게재되었다.
▲ [그림. 1] 카이럴 솔리톤 전환 개념도
[왼-카이럴 솔리톤(L) + 비-카이럴 솔리톤(A) = 오른-카이럴 솔리톤(R)]
▲ [그림. 2] 카이럴 솔리톤 간 상호전환 측정값
▲ [그림. 3] 카이럴 솔리톤 연산표
▲ [참고] 카이럴 솔리톤의 세가지 종류
1) 인듐 원자선(indium atomic wire)은 인듐원자가 사슬처럼 엮인 선폭 1nm 이하의 와이어로 실리콘 표면에 인듐을 뿌리고 500℃로 온도를 높이면 인듐원자가 규칙적으로 조립되면서 만들어진다. 상온에서는 도체지만 영하 150℃에서는 부도체이므로 1차원 위상부도체의 성격을 갖는다.
2) 본래 카이럴성(chirality)은 손을 뜻하는 그리스어에서 유래한 말로 왼손과 오른손처럼 서로 겹칠 수 없는 거울상 대칭을 의미한다. 여기에서는 서로 다른 위상학적 특이성을 의미하는데 왼-카이럴, 오른-카이럴, 비-카이럴 이렇게 3종류의 솔리톤이 카이럴 솔리톤을 이룬다.
3) 위상학은 찢어지지 않은 상태를 유지하면서 물체의 모양을 연속적으로 바꿀 때 변하지 않는 성질을 연구하는 학문으로 전자들도 1차원 원자선에서 공간적으로 어떻게 분포하는지에 따라 위상학적으로 다른 바닥상태가 존재할 수 있다. 이처럼 다른 바닥상태들이 하나의 원자사슬에서 만나게 되면 이들을 이어주는 위상학적 들뜸상태(topological excitation)인 솔리톤(soliton)이 생겨난다. 이 솔리톤은 주변의 바닥상태가 깨지지 않는 한, 외부 간섭에도 변하지 않는 안정된 구조이다.
4) 10억분의 1미터. 인텔, 삼성전자 등 글로벌 메모리 업체들은 현재 기술로는 선폭 5nm를 최소 소자의 한계로 보고 있다. 2016년 인텔은 5nm 이하 급의 소자소형화를 더 이상 추진하지 않기로 했다.
5) bit: 디지털 신호의 최소 단위로 컴퓨터 기억장치는 모든 신호를 2진수 0과 1로 고쳐서 기억한다.
6) 한 예로 [왼-카이럴 솔리톤]과 [비-카이럴 솔리톤]이 충돌하면 [오른-카이럴 솔리톤]으로 전환된다.
7) 1차원 원자선에서 위상학적 안전성을 유지하면서 위상학적 특이성을 다른 특이성으로 전환되는 것을 최초로 증명해 낸 것이다.
8) 현재 컴퓨터에서 사용하는 2진수의 경우 8비트는 256가지의 정보를 표현할 수 있는 반면, 4진수의 8비트는 65,536가지의 정보를 다룰 수 있다.
[대전일보] 4진수 연산 가능 컴퓨터 개발 가능성
[세계일보] 인공지능 시대 위한 4진법 연산소자 발견
[IT조선] 한국 연구진, 인공지능 시대 위한 신개념 '4진법' 연산소자 구현
[연합뉴스] 인공지능 시대 신개념 소자될까?…'4진법 소자' 발견
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