애물단지 열을 컴퓨팅에 활용할 수 있나?
애물단지 열을 컴퓨팅에 활용할 수 있나?
  • 함예솔
  • 승인 2024.06.25 11:26
  • 조회수 814
  • 댓글 0
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기존의 반도체 소자에서 열 발생은 피할 수 없죠. 이는 에너지 소모량을 증가시키고, 반도체의 정상적인 동작을 방해하기 때문에 문제가 되는데요. 이에 열 발생을 최소화하는 것이 기존 반도체 기술의 관건이었습니다. KAIST 연구진이 이렇게 애물단지로 여겨지던 열을 오히려 컴퓨팅에 활용하는 방법을 고안하여 화제인데요. 

 

KAIST는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 산화물 반도체의 열-전기 상호작용에 기반하는 열 컴퓨팅(Thermal computing) 기술 개발에 성공했다고 25일 밝혔습니다.

 

연구팀은 전기-열 상호작용이 강한 모트 전이 (Mott transition) 반도체[1]를 활용했습니다. 이 반도체 소자에 열 저장 및 열전달 기능을 최적화해 열을 이용하는 컴퓨팅을 구현했습니다. 이렇게 개발된 열 컴퓨팅 기술은 기존의 CPU, GPU와 같은 디지털 프로세서보다 1,000,000(백만)분의 1 수준의 에너지만으로 경로 찾기 등과 같은 복잡한 최적화 문제를 풀 수 있었습니다.

 

연구에서는 낮은 열전도도와 높은 비열을 가지고 있는 폴리이미드[2] 기판 상에 모트 전이 반도체 소자를 제작해, 모트 전이 반도체 소자에서 발생한 열이 폴리이미드 기판에 저장이 될 수 있게 했습니다. 이렇게 저장된 열은 일정 시간 동안 유지되며 시간적 정보 역할을 하는데요. 또한, 이 열은 공간적으로도 이웃 소자로 전파되고, 이는 공간적 정보 역할을 했습니다. 이처럼 열 정보를 시공간적으로 활용할 수 있었으며, 이를 활용하여 컴퓨팅을 수행할 수 있었습니다. 

동적 열 상호작용이 가능한 유연한 기판에 통합된 NbO2 기반의 모트 전이 소자. 모트 전이 소자는 전압, 기판 온도, 모트 전이 소자 온도의 3차 열-전기적 스위칭 역학을 기반으로 한다. 이를 통해 복잡한 생체 모방 뉴런 거동, 주파수 기반 통각 수용체, 다양한 정보의 시공간적 전달이 가능하다.출처: KAIST
동적 열 상호작용이 가능한 유연한 기판에 통합된 NbO2 기반의 모트 전이 소자. 모트 전이 소자는 전압, 기판 온도, 모트 전이 소자 온도의 3차 열-전기적 스위칭 역학을 기반으로 한다. 이를 통해 복잡한 생체 모방 뉴런 거동, 주파수 기반 통각 수용체, 다양한 정보의 시공간적 전달이 가능하다.출처: KAIST

김경민 교수는 “단순히 전기 신호만 사용하던 컴퓨팅 기술은 이제 한계에 이르렀으며, 열은 저장할 수 있고, 전달할 수 있는 특성이 있어 이를 잘 활용할 수만 있다면 컴퓨팅에서 매우 유용하게 쓰일 수 있다”며 “이번 연구의 의미는 기존에는 버려지던 열을 컴퓨팅에 활용할 수 있다는 개념을 최초로 제안한 데 있다”고 연구의 의미에 대해서 말했습니다. 

 

또한 “열 컴퓨팅 기술을 활용하면 뉴런과 같은 신경계의 복잡한 신호도 매우 간단히 구현할 수 있으며, 또한 고차원의 최적화 문제를 기존의 반도체 기술을 바탕으로 효과적으로 해결할 수 있어 양자 컴퓨팅의 현실적인 대안이 될 수 있다”고 기술의 장점을 설명했습니다. 그리고“이번 연구는 미국의 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratory)와의 공동 연구로 검증된 결과”라는 점을 강조했습니다.

 

연구 결과는  재료 분야 국제 학술지 `네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 6월 18일 字에 게재됐습니다.

논문명 : Mott Neurons with Dual Thermal Dynamics for Spatiotemporal Computing

 

#용어설명

[1] 모트 전이 반도체: 온도에 따라 전기적 특성이 부도체에서 도체로 변하는 전기-열 상호작용이 강한 반도체 소자

[2] 폴리이미드: 우수한 기계적 강도, 유연성, 내열성을 가진 폴리머 소재. 디스플레이, 태양전지, 메모리 등에 다양하게 활용됨 


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