1,000배 빠른 컴퓨터? 실리콘을 대체할 신소재

1,000배 빠른 컴퓨터? 실리콘을 대체할 신소재  컴퓨터와 IT 그리고 수학 / 과학  2014/09/21 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220127362753 전용뷰어 보기 1,000배 빠른 컴퓨터? 실리콘을 대체할 신소재 September 19, 2014, ScienceDaily 출처: 캠브리지 대학(University of Cambridge) 요약: 실리콘 대신 전기적으로 서로 다른 상태 간을 스위칭 할 수 있는 소재를 사용하면, 더 빠르고, 더 작고, 더 환경 친화적인, 그러면서도 지금보다 최대 1,000배 정보를 더 빠르게 처리할 수 있는 컴퓨터가 만들어질 수 있다. Artist's concept (stock illustration). Credit: © agsandrew / Fotolia ​     현재 컴퓨터 프로세서와 메모리의 크기나 속도 제한은 실리콘 대신 PCM(phase-change materials, 상변화 물질)을 사용하면 극복될 수 있다. 전기적 상태가 서로 다른 내부 구조 간을 가역적으로 스위칭 할 수 있는 PCM으로 실리콘을 대체하는 것이다. 결정 구조의 도체 상태와 유리 구조의 절연체 상태 사이를 십억 분의 수초 정도로 매우 빠르게 스위칭 할 수 있는 PCM 소재를 사용한다. PCM 기반의 디바이스를 모델링하고 테스트하면 극도로 짧은 전압 펄스의 특정 조합으로 비휘발성 메모리 셀(memory cell)에서 논리 연산이 수행될 수 있음이 나타나는데 이는 실리콘 기반의 디바이스에서는 가능하지 않은 것이다. 이 새로운 디바이스에서 논리 연산과 메모리는 실리콘 기반의 컴퓨터에서처럼 분리되지 않고 같은 장소에 위치한다. 이 소재들은 궁극적으로 연산 속도를 지금의 랩톱 컴퓨터보다 500 내지 1,000배 더 빠르게 하는데, 그러면서도 에너지는 덜 소비한다. 이 같은 연구 결과가 미 국립과학아카데미 회보에 실렸다.    캠브리지 대학과 싱가포르 에이스타 연구소(A*STAR Data-Storage Institue) 및 싱가포르 기술 디자인 대학(Singapore University of Technology and Design) 연구원들이 설계한 프로세서는 PCM 타입의 칼코겐 유리(chalcogenide glass)를 사용한다. 칼코겐 유리는 적당한 전압 펄스를 가하면 2분의 1 나노세컨드(1 나노세컨드는 십억 분의 1 초) 사이에 녹았다가 재 결정화될 수 있다.    대부분의 컴퓨터와 모바일 전화기, 그리고 태블릿에서의 연산은 실리콘 기반의 논리 디바이스로 수행된다. 연산 결과를 저장하는데 사용되는 고체 메모리(solid-state memory) 역시 실리콘 기반의 디바이스다. 그러나 더 빠른 컴퓨터에 대한 요구가 지속되었기 때문에, 실리콘 소재로 구현할 수 있는 한도에 빠르게 접근하고 있다고 이번 연구를 주도한 캠브리지 대학의 스티븐 엘리엇(Stephen Elliott) 교수가 말했다.    그간 컴퓨터 성능을 증가시키는 최고의 방법은 디바이스의 사이즈를 점진적으로 줄여 그 안에 포함시킬 수 있는 논리 디바이스의 수를 증가시키는 것이었지만, 그러나 현재 디바이스는 구조 상 물리적 한계가 있어서 더 이상 지속시키는 것이 거의 불가능한 지경이 되었다.     현재로는 가장 작은 논리 디바이스와 메모리 디바이스는 사이즈가 약 20 나노미터로 실리콘으로 만든다. 사람 머리카락의 약 4000분의 1이고 레이어(layer) 구조로 만든다. 디바이스는 계속 더 작아져 한 개의 칩 안에 들어가는 수는 계속 늘어가지만, 그러나 궁극적으로 실리콘 레이어 간격이 점차 가까워지면 결국 플래시 비휘발성 메모리 디바이스에 저장된 전자들이 양자 터널링 현상을 일으켜 데이터 손실이 발생하게 된다. 하지만 PCM 디바이스는 이 같은 사이즈-스케일링 한도를 극복할 수 있다. 약 2 나노미터까지 제 기능을 할 수 있는 것이 증명되었기 때문이다.     논리 디바이스 수를 늘려 연산 속도를 증가시키는 대신에 각각의 디바이스가 수행할 수 있는 연산 횟수를 증가시키는 방법이 있다. 이 방법은 실리콘으로는 불가능하지만, 그러나 연구원들은 PCM 논리/메모리 디바이스에서는 복수의 연산이 가능함을 증명했다. 1960년대에 처음 개발된 이후로, 원래 PCM은 재기록 가능한 DVD와 같은 광학 메모리 디바이스로 사용되었다. 그런데 이제는 PCM이 전자-메모리로 응용되기 시작했으며 일부 스마트폰에서는 실리콘 기반의 플래시 메모리를 대체하기 시작했다. PCM 디바이스들은 최근 기억 논리(in-memory logic) 수행에서 단점이 나타났다. 현재로서는 실리콘 소재와 같은 속도로 연산을 수행할 수 없으며 비정형 상(phase)이 나타날 때 안정성에 문제가 있다.     그러나 캠브리지 및 싱가포르의 연구원들은 논리 연산을 수행하는데 있어서 PCM의 결정 상태에서 시작하여 셀 내에서 PCM을 녹이는 식으로 논리 연산 프로세스를 역으로 수행함으로써, PCM 소재도 훨씬 안정되고 훨씬 빠르게 연산을 수행할 수 있음을 보였다.     고유 스위칭, 혹은 결정화 현상으로 현재 PCM 속도는 약 10 나노세컨드로 플래시 메모리를 대체하는데 적합하다. 1 나노세컨드 이하로(2012년 캠브리지와 싱가포르 대학에서 증명했다.) 속도를 더욱 높이면, 언젠가 DRAM을 대체할 수 있다. DRAM은 비휘발성 PCM 소재로 대체하여 끝없이 재생(refresh)될 필요가 있다.     실리콘 기반의 시스템에서는 정보가 프로세서와 메모리 사이를 돌아다니기 때문에 시간과 에너지가 소모된다. 그래서 정보가 같은 장소에서 생성됨과 동시에 저장되면 좋다고 싱가포르 기술 디자인 대학의 데스몬드 로크(Desmond Loke) 박사는 말한다. 실리콘은 일시적인(transient) 소재다. 정보가 생성되면 다른 곳으로 옮겨져 저장되어야 한다. 그러나 PCM 논리 디아비스에서는 정보가 생성된 곳에 머물러 저장된다.     엘리엇 교수에 따르면 연구팀의 궁극적으로 원하는 것은 새로운 PCM 기반의 비휘발성 디바이스로 DRAM와 논리 프로세서를 모두 대체하는 것이다. 그러기 위해서는 스위칭 속도가 1 나노세컨드에 가까워져야 한다. 현재 DRAM에서는 비용 측면에서나 환경 측면에서 비싼 에너지가 새나간다. 보다 빠른 PCM 스위칭 시간은 이것을 크게 절약할 수 있고, 따라서 빠르기만한 컴퓨터가 아니라 환경 친화적인 컴퓨터가 될 수 있다. Journal Reference: 1.D. Loke, J. M. Skelton, W.-J. Wang, T.-H. Lee, R. Zhao, T.-C. Chong, S. R. Elliott. Ultrafast phase-change logic device driven by melting processes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; 111 (37): 13272 DOI: 10.1073/pnas.1407633111 [출처] 1,000배 빠른 컴퓨터? 실리콘을 대체할 신소재|작성자 HANS

       

      - 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재..