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Nikkei X-TECH_2022.11.21

도호쿠(東北)대학, 스핀트로닉스 연구 가속화
반도체 소비 전력을 100분의 1로

저전력에 연산 성능도 뛰어난 새로운 반도체 기술 개발이 추진되고 있다. 전자가 가진 자석의 성질(스핀)을 이용하는 반도체 기술 '스핀트로닉스(Spintronics)'를 응용하면 소비전력을 100분의 1로 줄일 수 있어 탈탄소로 이어진다.

정보의 처리 속도 및 보존성도 뛰어나 우주 공간에서 시스템이 안정적으로 가동하는 데도 도움이 된다. 스핀트로닉스에서 세계를 선도하는 도호쿠대학이 차세대 반도체 기술의 발신지로 주목받고 있다.

스핀트로닉스를 응용한 반도체는 큰 폭의 소비전력 절감과 데이터 처리의 고속화가 가능해 지금의 컴퓨터 구조를 크게 바꿀 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 기술을 응용한 MRAM(Magnetoresistive random-access memory, 자기 저항 메모리)은 자기(스핀 방향)로 데이터를 기억하기 때문에 전원을 꺼도 메모리 안의 정보를 잃지 않고 보존할 수 있는 성질(비휘발성)이 특징이다. 현재의 DRAM이나 SRAM과 같이 정보를 보존하기 위해 전력을 계속 공급할 필요가 없다.

예를 들어, 동북대학 발 스타트업 기업인 파워스핀(센다이 시)은 MRAM을 AI(인공지능) 프로세서에 적용 시, 소비전력을 2,000분의 1로 줄일 수 있다는 것을 확인. 연산을 담당하는 로직의 종류와 사용법에 따라 다르지만, MRAM과 조합함으로써 일반적으로 소비전력을 수 십 분의 1에서 수 천 분의 1로 절감할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

스핀트로닉스의 연구거점인 도호쿠대학 국제집적일렉트로닉스연구개발센터(CIES)의 센터장인 엔도(遠藤) 교수는 “앞으로 10년 정도 안에 스핀트로닉스를 응용한 반도체 소비전력을 기존의 CMOS(상보성 금속산화막 반도체) 반도체 기술과 비교해 100분의 1로 낮출 방침이다”라는 목표를 제시했다.

MRAM은 실용화가 이제 막 시작된 기술로, 앞으로 처리 속도를 고속화한 것이거나 대용량화한 것 등 다양한 종류의 제품 개발이 검토되고 있다. 특히 데이터를 읽고 쓰는 속력을 활용한다면, 시스템의 고속화와 저소비전력화를 양립할 수 있다. 기존 메모리처럼 전력을 계속 공급할 필요가 없고, 데이터를 읽고 쓸 때만 전력을 사용하면 되기 때문이다.

엔도 교수 연구팀이 시작(試作)한 SOT(스핀 궤도 토크형)-MRAM은 2.9기가헤르츠(GHz)와 세계 최고의 동작 주파수를 실현했다고 한다. 이것은 CPU 등의 동작 주파수와 같은 정도의 동작 주파수이며, 로직과 동기해 고속에 에너지 손실이 적은 처리가 가능하다.

현재 CPU 칩이나 패키지 안에 캐시 메모리로써 사용되고 있는 SRAM과 DRAM을 MRAM으로 대체함으로써 시스템의 소비전력을 크게 줄일 수 있을 것으로 보인다. 또한 기입 속도도 세계 최고를 달성했다고 한다.

SOT-MRAM은 AI 서버 및 고성능 컴퓨터에서 그 효과를 발휘할 수 있을 것으로 전망되며, DRAM을 대체하는 것은 2028년 이후에 추진될 전망이다. 한편, 저전력이 요구되는 스마트워치나 IoT 기기 등에서는 이미 메모리로서 MRAM의 채택이 추진되고 있다.

-- 다양한 분야에 잠재 수요 --
스핀트로닉스를 응용한 반도체는 높은 성능 때문에 지금까지 적용할 수 없었던 용도나 설계에 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 엔도 교수 연구팀은 MRAM에 ‘4중 계면형 MTJ(Magnetic Tunnel Junction, 자기 터널 접합) 기술’을 적용함으로써, 섭씨 150도의 고온에서도 높은 데이터 보존성을 보유하는 것을 실증.

고온에서의 가동이 요구되는 차량 탑재 기기 등에 이용할 수 있을 것으로 보인다. 발열이 큰 로직 반도체에 MRAM을 도입해 성능을 높이는 사용 방법도 생각할 수 있다.

향후, 시장 확대가 기대되는 분야가 우주이다. 고에너지의 입자가 난무하는 우주공간에서는 반도체 회로에 전하가 발생해 오작동으로 이어지기 때문에 현재의 컴퓨터를가져갈 수 없다. 이 때문에 우주선 및 격납고를 납 쉴드로 보호해야 할 필요가 있어 발사 비용이 증가한다는 과제가 있었다.

한편, 정보의 기억에 스핀의 방향을 이용하는 MRAM에서는 오작동이 발생하기 어려워 우주공간에서도 안정적으로 가동될 수 있다. 실제로 도호쿠대학 CIES는 우주항공 연구개발기구(JAXA)와의 공동 사업에서 고에너지 입자가 난무하는 우주공간에서도 MRAM이 안정적으로 동작하는 것을 실증, 실용화를 위한 대응을 추진하고 있다. NTT와 KDDI 등 통신 대기업들과 미국의 스페이스X 등은 ‘우주데이터센터’ 구상을 내걸고 있어, 우주에서의 IT 인프라 구축에 스핀트로닉스의 중요성이 높아질 전망이다.

의료 분야에서는 체내에 매립해 장기간 사용할 수 있는 저소비 전력의 전자기기에 채택될 수 있을 것으로 전망된다. 이 외도 안전성이 높은 정보 보안에 응용하는 것도 검토되고 있다.

엔도 교수는 “기존의 연장선 상에서의 개선이 아니라, 완전히 새로운 게임 체인저가 될 수 있다”라고 말한다. 도호쿠대학 CIES는 스핀트로닉스라는 새로운 영역에서 재료개발부터 설계, 시작까지 폭넓게 추진하면서 세계 최첨단을 달리고 있다.

-- 기술 담당 인재 육성이 불가결 --
한편, 엔도 교수는 일본 반도체 산업이 처한 상황에 위기의식을 가지고 있다. 그는 국내외 기업들과 폭 넓게 연대를 맺고 있는 도호쿠대학에서 신중함 때문에 비즈니스 기회를 놓치는 일본 기업들을 목격해왔다. “사업은 사람이 판단하는 것이다. 새로운 것에 도전할 수 있는 인재를 키우는 것도 우리의 역할이다”(엔도 교수)라고 말한다.

엔도 교수 연구팀이 추진하고 있는 ‘스핀트로닉스 융합 반도체 창출 거점’ 구축은 올 4월, 문부과학성이 주도하는 ‘차세대 X-nics 반도체 창생 거점 형성 사업’에 채택되었다. 국내 대학 및 기업들과 제휴하면서 학생과 젊은 연구자에게 반도체에 관한 폭넓은 지식을 제공. 자동차와 IT관련 기업들도 참여시킴으로써 최종 제품을 의식한 보다 실천적인 연구개발(R&D)을 할 수 있을 것으로 전망된다.

도호쿠대학은 대학으로서는 드물게 다양한 종류의 반도체를 개발할 수 있는 시설(클린 룸)을 보유하고 있어 디바이스를 시작할 수 있다는 강점이 있다. 대학으로서 기초 연구에 힘쓰면서 관련 스타트업 기업 등을 통해 사업화도 추진해나가고 있다.

현재 목표는 반도체업계에 뜻이 있는 인재를 늘려나가는 것이다. 미국 반도체공업회(SIA)에 따르면, 반도체 산업에 강점을 가진 동아시아와 구미(歐美)에서는 반도체 인력이 증가하고 있는 반면, 일본만은 2000년 이후 15년 간 연평균 증가율이 -4%로 감소세라고 한다.

반도체 산업 성장이 두드러진 중국에서는 반도체 관련 인재도 11%로 증가해 일본과 대조적인 결과를 보였다. 일본 반도체 산업의 경쟁력을 유지하기 위해서라도 인재 육성을 위한 노력은 필수적이다.

탈탄소 사회 실현을 위한 대응과 우주공간에서의 네트워크 구축 등, 차세대 반도체에 대한 기대가 세계적으로 높아지고 있다. 도호쿠대학은 스핀트로닉스라는 신기술을 무기로 R&D와 인재 육성 등 반도체 산업에서 큰 역할을 담당하려 하고 있다.

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