전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_26.01 (p18~19)

소니세미컨덕터솔루션, 저전력 엣지 AI 기술 개발
반도체 회로와 강유전체를 융합

소니 그룹 산하의 소니세미컨덕터솔루션(Sony Semiconductor Solutions)은 인터넷에 연결되지 않고 단말기에서 직접 처리하는 ‘엣지 AI(인공지능)’의 소비전력을 줄이는 반도체 기술을 개발했다. CMOS(상보형 금속 산화 반도체) 이미지센서와 결합해 화상 정보를 AI로 처리하는 용도를 목표로 하고 있다. 강유전체(ferroelectrics) 라고 불리는 재료를 사용해 데이터의 기억 및 연산에 사용되는 회로를 동일한 프로세스로 만들 수 있도록 하여 코스트를 낮췄다.

강유전체는 전압을 가하면 전하의 편차(분극)가 발생해 전원이 차단되어도 정보를 유지하는 비휘발성 메모리에 사용할 수 있다. 소니세미컨덕터솔루션은 강유전체를 금속 전극 사이에 끼운 소자(강유전체 커패시터)와 MOS 트랜지스터를 조합해 데이터의 기억 및 연산에 사용되는 회로를 반도체 칩 상에 제조할 수 있게 했다. 소니세미컨덕터솔루션은 이번 기술에 대한 성과를 2025년 9월 15일부터 18일까지 요코하마시에서 열린 반도체기술 국제 학회 ‘SSDM 2025’에서 발표했다.

-- CMOS 프로세스로 만들 수 있어 --
소니세미컨덕터솔루션은 CPU(중앙연산처리장치) 등의 칩 상에서 일시적인 데이터 기억을 담당하는 SRAM(Static Random Access Memory, 정적 램)이나, CPU와 데이터를 주고받는 DRAM 등의 메모리를 강유전체 커패시터와 MOS 트랜지스터를 조합해 실현. 메모리 내부에서 연산을 실시해 소비전력을 줄이는 ‘인메모리 컴퓨팅’용 논리 회로도 만들 수 있다.

강유전체에는 HfO₂(산화 하프늄)를 사용했다. CMOS 트랜지스터의 게이트 절연막 등에 사용되는 재료로, 반도체 제조 프로세스와 상성이 좋다. 소니세미컨덕터솔루션의 오쿠노(奥野) 시니어 디바이스 엔지니어는 “반도체 공장에서 제조할 경우, 장비 구성을 크게 바꾸지 않아도 된다.”라고 말한다.

-- 메모리와 논리 회로를 동시에 제조 --
SRAM형 메모리는 6개의 MOS 트랜지스터로 구성된 SRAM 위에 2개의 강유전체 커패시터를 적층하여 제조한다. SRAM의 칩 면적을 늘리지 않으면서 전원을 차단해도 데이터를 유지하는 비휘발성을 부여할 수 있다. 통상적인 SRAM과 비슷한 속도로 동작하며, 소비전력 절감 효과도 얻을 수 있다.

DRAM형 메모리는 MOS 트랜지스터와 강유전체 커패시터를 각각 하나씩 조합해 만든다. 2개의 MOS 트랜지스터와 1개의 강유전체 커패시터를 조합하면, 데이터의 0과 1을 반전시키는 논리 회로(인버터)를 구성할 수 있다.

이러한 세 종류의 회로는 모두 MOS 트랜지스터와 강유전체 커패시터의 조합으로 구성되기 때문에 반도체 칩 상에서 동일한 공정으로 제작할 수 있다. 즉, 제조 코스트를 낮출 수 있다.

-- AND 연산을 실증 --
시작(試作)에는 130nm(나노미터) 세대의 CMOS 기술이 사용되었다. SRAM형은 1만 6,000비트의 어레이를 시작해 전원을 끈 상태에서도 데이터가 유지되는지를 확인했다. DRAM형은 100만 비트 어레이를 시작해 동작 전압이 1.8V일 때 40나노초(ns)로 데이터를 갱신할 수 있었다. AND(논리곱)라고 불리는 연산도 실증했다.

소니세미컨덕터솔루션은 아직 사업화의 시기와 형태에 대해서는 밝히지 않고 있다. 소니세미컨덕터솔루션은 CMOS 이미지센서와 AI를 결합한 ‘인텔리전트 비전 센서(IVS)’를 판매하고 있으며, 매장 내에서 고객 행동을 감지하거나, 공장에서 작업자의 상태를 감지하는 용도를 제안하고 있다. 이번 기술은 이러한 용도에 활용될 가능성이 있다.

-- 선구적 기업과 협업 --
소니세미컨덕터솔루션의 CMOS 이미지센서는 화소부와 신호처리회로(논리회로)를 각각 별도의 칩으로 제작한 뒤, 이 2개를 적층해 만든 것이다. 현재, 논리회로에 AI 기능을 도입해 이미지센서를 스마트하게 만드는 기술개발에 주력하고 있으며, 이번 기술을 여기에 활용할 것으로 보인다.

독일의 연구기관인 NaMLab과 프라운호퍼연구소도 개발에 참여했다. NaMLab은 2010년대에 HfO₂가 강유전체가 된다는 사실을 발견, 강유전체 메모리 개발 붐의 계기를 만들었다. 강유전체 메모리는 대기업들도 개발에 주력하고 있으며, 미국의 Micron Technology는 2023년, 32G비트와 DRAM 수준으로 대용량화한 시제 칩을 발표했다.

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