유선 전화를 사용한 것이 언제인지 기억이 안 날 정도로 우리 생활에 없어서는 안 될 존재가 된 스마트폰. 
지금껏 매일 충전해야만 하던 핸드폰이 2~3년 후에는 약 1,000일에 한 번 충전하는 것이 가능해진다면 어떨까요?
이러한 이야기가 가능해진 이유는 바로 세계 최초 초절전·고성능·소형화 등 장점이 있는 ‘3진법 반도체’ 덕분입니다.
우리가 핸드폰을 매일 충전하는 이유는 전력 소모가 크기 때문인데요. 3진법 반도체를 활용한 칩을 동일한 면적에 동일하게 쓴다면 1,000일에 한 번만 충전해도 가능하다고 합니다. 
그렇다면 ‘3진법 반도체’란 무엇인지 지금 바로 알아보도록 해요.

UNIST 김경록 교수 연구팀, 3진법 반도체 구현 성공

지난 7월, UNIST(울산과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 김경록 교수 연구팀에 따르면, 초절전 ‘3진법 금속-산화막-반도체(Ternary Metal-Oxide-Semiconductor)’를 세계 최초로 대면적 실리콘 웨이퍼 구현에 성공했다고 합니다.
지금껏 우리가 사용해온 모든 전자기기의 반도체는 0과 1로 정보를 처리하는 2진법 기반으로 되어 있습니다.
반도체의 성능은 많은 정보를 얼마나 빠른 시간에 처리하느냐가 가장 중요한데, 반도체의 성능이 높아질수록 소비 전력은 그만큼 늘어날 수밖에 없다는 단점이 있었습니다.

최근 이러한 문제들을 해결할 방법으로 새로운 개념의 반도체, ‘3진법 반도체’가 주목받고 있습니다.
3진법 반도체는 2진법 반도체보다 소비전력이 1,000분의 1로 줄었으며, 소자는 기존 소자의 60%만으로도 같은 기능을 할 수 있고 처리속도 또한 매우 빠릅니다.

삼성전자 파운드리 사업부 팹(FAB)에서 3진법 반도체 구현 검증

삼성전자는 김경록 교수팀 연구지원을 위해 파운드리 사업부 팹(FAB)에서 미세공정으로 3진법 반도체 구현을 검증하고 있습니다.

삼성전자는 이번 연구를 2017년 9월 삼성미래기술육성사업 지정 테마로 선정해 지원해왔는데요.
한편, 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5천억 원을 지원하고 있으며, 지금까지 532개 과제에 6826억 원을 집행했습니다.

현재 8인치 웨이퍼에 수백 개 반도체를 넣어 대량생산이 가능한지 검증하는 단계로 시스템 반도체 분야 1등을 목표로 하는 삼성에서 새로운 패러다임을 위한 투자라고 합니다.
* 웨이퍼 : 반도체 공정의 기초가 되는 재료로 회로를 그릴 수 있는 얇은 둥근 원판


3진법 반도체의 정보 처리 능력

그동안 반도체 업계는 인공지능(AI), 자율주행, 사물인터넷(IoT) 등 대규모 정보를 빠르게 처리하는 고성능 반도체를 만들기 위해 반도체 소자의 크기를 줄여 집적도를 높여 왔는데요.
현재 2진법 기반의 반도체에서 정보를 처리하는 시간을 단축하고, 성능을 높일수록 증가하는 소비전력을 줄이는 문제를 해결하기 위해 고민을 이어왔다고 합니다.

김경록 교수 연구팀이 개발한 3진법 반도체는 2진법 기반의 반도체와 달리 0, 1, 그리고 2 값으로 정보를 처리합니다.
덕분에 처리해야 할 정보의 양이 줄면서, 계산 속도는 빨라지고 그에 따른 소비전력도 줄어들죠. 또한, 반도체 칩 소형화에도 강점이 있는데요.
예를 들어, 숫자 128을 표현하려면 2진법으로는 8개의 비트(bit, 2진법 단위)가 필요하지만, 3진법으로는 5개의 트리트(trit, 3진법 단위)만으로도 저장이 가능합니다.


누설전류, 어떻게 활용할 수 있을까

현재 반도체 소자의 크기를 줄여 단위면적당 집적도를 높이는 방법으로 급격히 증가하는 정보를 효과적으로 처리하게 되면 또 다른 문제가 발생하게 됩니다.
소자의 소형화로 인해 양자역학적 터널링 현상이 커지면서 누설전류가 증가하는데요. 그로 인해 소비전력도 증가하는 문제도 무시할 수 없습니다.

김경록 교수 연구팀은 소비전력 급증의 주요 원인 중 하나인 누설 전류를 활용하기 위한 획기적인 발상의 전환을 이뤄냅니다.
누설전류의 양에 따라 정보를 3진법으로 처리하도록 구현해 누설 전류로 인한 소비전력 증가 문제도 해결했습니다.
이번 연구를 통해 현재 산업계에서 널리 활용되고 있는 반도체 공정에서 3진법 반도체를 구현해 상용화에 대한 기대감도 높아진 상태입니다.

김경록 교수는 “이번 연구 결과는 기존의 2진법 반도체 소자 공정 기술을 활용해 초절전 3진법 반도체 소자와 집적회로 기술을 구현했을 뿐만 아니라, 대면적으로 제작돼 3진법 반도체의 상용화 가능성까지 보여줬다는 것에 큰 의미가 있다”며, “기존 2진법 시스템 위주의 반도체 공정에서 3진법 시스템으로 메모리 및 시스템 반도체의 공정∙소자∙설계 전 분야에 걸쳐 미래 반도체 패러다임 변화를 선도할 것”이라고 말했는데요.

미래에는 3진법 반도체는 향후 4차 산업혁명의 핵심인 AI, 자율주행, 사물인터넷, 바이오칩, 로봇 등의 기술발전에 있어 큰 파급 효과가 있을 것으로 기대되는데요.
대규모 정보를 빠르게 처리해야 하는 5G 시대에 아주 적합한 반도체인 만큼, 꾸준한 연구를 통해 새로운 패러다임이 생겨나길 기대하겠습니다.

내용 출처
삼성 뉴스룸, UNIST 김경록 교수 연구팀 ‘초절전 3진법 반도체 기술’ 대면적 웨이퍼에 세계 최초 구현

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