AI 전력난 해결 실마리…삼성전자 "낸드 전력 소모 96% 절감"

(서울=뉴스1) 박주평 기자 = 삼성전자(005930) 종합기술원(SAIT) 연구진이 기존 낸드플래시의 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 메커니즘을 세계 최초로 규명해 AI 시대 전력난 해결에 기여할 것으로 기대된다.

삼성전자는 27일 반도체 뉴스룸을 통해 SAIT의 '초저전력 낸드 플래시 메모리를 위한 강유전체 트랜지스터' 연구 결과가 세계적인 학술지 '네이처'에 게재됐다고 밝혔다.

이번 연구는 SAIT와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 순수 사내 연구개발 성과다. SAIT가 이번에 발표한 연구는 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 낸드플래시 구조를 통해 셀 스트링(낸드플래시에서 셀이 직렬로 연결된 구조) 동작에서 기존 대비 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 가능성을 확인했다.

기존 낸드플래시는 셀에 전자를 주입하는 방식으로 데이터를 저장하고, 저장 용량을 늘리려면 셀의 개수(적층 단수)를 늘려야 한다. 하지만 직렬로 연결된 셀들을 순차적으로 거쳐 신호가 전달되는 낸드플래시의 구조적 특징 때문에 적층이 높아질수록 더 높은 전압이 필요해 읽기·쓰기 전력 소모도 함께 증가한다.

이 때문에 셀에 전자를 주입하지 않고 자발적으로 분극을 변화시켜 정보를 저장할 수 있는 강유전체의 특성을 활용한 차세대 낸드 연구가 진행됐지만, 용량 증가와 전력 효율 저하의 상충관계는 여전히 해결되지 못했다.

삼성전자 SAIT 연구진은 이 문제의 실마리를 산화물 반도체의 고유 특성에서 찾았다. 산화물 반도체는 문턱 전압을 정밀하게 제어하기 어렵다는 일반적인 약점이 있지만, 불필요하게 새어나가는 누설 전류가 낮다는 강점이 있다. 연구진은 문턱 전압 제어가 어렵다는 산화물 반도체의 특성이 강유전체의 분극 제어 효과와 결합했을 때, 셀 스트링 구동에 필요한 동작 전압을 획기적으로 낮출 수 있는 핵심 메커니즘으로 작용함을 세계 최초로 규명했다.

이를 통해 전력 소모를 최대 96%까지 절감하면서 현존 최고 수준인 셀당 5비트(bit)의 고용량까지 확보할 수 있음을 검증했다. 이는 기존 낸드플래시의 구조적 한계를 물질 개발과 구조적 이해를 통해 극복한 것으로 평가된다.

해당 기술이 상용화되면 대규모 AI 데이터센터부터 모바일·엣지 AI 시스템까지 다양한 분야에서 전력 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 전력 소모가 감소하면 데이터센터 운영 비용을 절감할 수 있고, 모바일 기기에서는 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다. 삼성전자는 획기적인 저전력·고용량 SSD 개발에 기여할 수 있는 기술의 방향성을 제시하며 미래 경쟁력을 확보했다.

한편 SAIT는 삼성전자 내에서 향후 5년 이후 등장할 신사업 기술을 연구하는 조직이다. SAIT는 초기 단계의 기술인 시드(Seed) 기술을 반도체, 디스플레이, 배터리 등 다양한 분야에서 연구하고 있으며, SAIT의 시드 기술 연구 성과는 세계적인 학술지 네이처와 네이처 자매지를 통해 공개되고 있다.

주목을 끌었던 연구는 △'자발광 QLED 상용화 가능성' 입증(2019년 네이처) △'전고체전지'의 수명과 안전성을 높이면서 크기를 반으로 줄일 수 있는 원천기술(2020년 네이처 에너지) △뇌를 닮은 차세대 뉴로모픽 반도체 비전(2021년 네이처 일렉트로닉스) △ MRAM 기반 인-메모리 컴퓨팅 세계 최초 구현(2022년 네이처) 등이 대표적이다.

jupy@news1.kr