- CMOS 소자의 scaling이 진행되고 집적도는 개선되고 있으나, 2005년 이후에 동작전압을 줄이기 어렵고 전력소모가 증가하여 동작속도(clock frequency)는 미개선
- 기존 실리콘 MOSFET의 scaling 한계를 극복하기 위한 일반적인 방법은 CMOS 소자기술을 확장하여, 새로운 재료와 구조를 제안하고 이를 기반으로 MOSFET의 특성을 개선하는 것
- 이에 대한 대안으로 MOSFET 소자를 대신하여 신개념 소자를 이용하는 것이 있으며, 전하기반 소자와 비전하기반 소자로 구분
- 전하기반 소자는 단전자, ferroelectric, 이온기반 소자로 구분되며, 비전하소자는 스핀, 포톤, 엑시톤 등을 기반으로 한 소자로 구분
표 2 Non-CMOS 소자 기술의 구체적인 예(미국 SRC, NRI)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 전하기반 소자기술
- 가장 광범위하게 연구가 진행되는 소자이며, 터널링, 상변화 등의 다양한 동작원리와 Carbon, Ferroelectric 등의 다양한 재료를 이용하여 저전력 소자를 개발 중
● 스핀기반 소자기술
- 비전하기반 소자 중에서 가장 활발히 연구된 소자가 스핀기반 소자이며, SpinFET, nanomagnet LOGIC, Spin wave 소자 등이 활발히 연구 중
- 전하의 이동 없이 순수한 스핀의 확산을 이용하는 경우, 기존 전하기반소자의 한계를 극복할 수 있어서 저전력소자로의 연구가 진행 중
● 엑시톤 등 기반 소자기술
- 엑시톤(전자/정공쌍)을 이용한 그래핀 터널링 소자로 저전력 스위치를 구현
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
●
CMOS
소자의 대안으로 다양한 차세대 소자들에 대한 연구가 진행되었으나,
폰노이만 아키텍처기반의Boolean logic
소자로 동작에너지 효율과 동작속도 등을 비교해보면 아직까지 기존CMOS
소자보다 훨씬 더 우수한 소자는 미발표(<
그림1>
참조)
● 최근 연구되고 있는
non-CMOS
기반의 소자의 장점을 활용하기 위해서는 이를 활용할 수 있는 특화된 분야를 고려해야 하는 것이 중요● 기존
CMOS
소자로는 구현하기 어려운 응용분야로서IoT
용 초저전력소자, Memory in Logic
구현을 위한 비휘발성 로직소자,
아날로그 메모리 기반의 뉴로모픽 컴퓨팅 소자, oscillator
기반 소자,
난수 발생기 등의 경우non-CMOS
소자의 장점을 활용할 수 있을 것으로 평가● 신개념 소자와 신개념 아키텍처의 결합을 통해 시너지 효과를 확보함으로써
,
새로운 응용분야에서 기존CMOS
소자의 성능을 능가할 수 있을 것으로 예측그림 1 소자의 특성 비교2)
2) ITRS roadmap (2015)
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 대부분의
non-CMOS
소자 기술은 아직까지 단위소자 수준에서의 연구이므로wafer scale
에서 안정적인 소자 특성을 확보하기까지는 상당한 시간이 소요될 것으로 예상● 특히 단결정 기반의 실리콘
CMOS
기술과 달리 다결정/
비정질 기반의 소자의 경우,
나노미터 스케일의 소자에 적용할 경우,
소자특성의 산포문제가 심각할 것으로 예상되어,
양산소자를 고려할 경우,
이를 획기적 으로 줄일 수 있는 공정기술의 개발이 필요● 향후 고집적 소자를 고려할 때
,
저온 공정과3
차원 집적화가능성에 대한 고려가 필수● 비전하기반 소자의 경우 전하기반 소자와의 연결을 위한 배선기술의 개발이 필요하며 이를 고려할 때 상당한성능
/
에너지 손실이 예상2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 국내의
non-CMOS
로직소자에 특화된 연구는 제한적으로 진행되고 있으며,
대부분 메모리 소자와 관련 된 단위소자 기술이 개발되고 있으나,
이를 활용하여 로직소자에 응용이 가능할 것으로 평가● 재구성
(reconfigurable)/
비휘발성 로직소자 분야에 연구재단 나노소재과제를 통해 성균관대학교에서 연구를 진행 중● 현재 포항공과대학교
,
서울대학교, KAIST
등에서 진행하는 산화물 기반의 저항변화소자는 아날로그 메모리 특성을 가지고 있어서 뉴로모픽 소자 또는logic-in-memory
소자에 응용이 가능한 것으로 평가● 한국과학기술연구원
, KAIST,
고려대학교 등에서 진행 중인STT-MRAM
기술이SPIN
로직소자로 확장될 수 있을 것으로 평가2.2. 해외 동향
표 3 미국 내 차세대 소자/아키텍처 개발 프로그램
3 시사점(기술수준)
●
CMOS
소자의 스케일링 한계를 극복하기 위한 나노소자의 연구방향은data-intensive,
높은 에너지효율, H/W
인공지능 관련 기술에 초점을 맞출 것으로 예상● 특히 수백 배 이상의 에너지효율 개선과 기존
CMOS
소자만으로 구현이 불가능한 신기능을non-CMOS
기반의 소자로 구현하는 것이 주된 연구 방향으로 예상● 전 세계적으로
non-CMOS
소자 기술은 태동기로 평가되며,
아직까지 주도적인 기술이 확인되지 못한 상태에서 다양한 단위소자에 대한 탐색연구가 진행 중● 국내에서는 주로 메모리소자용으로 다양한
non-CMOS
소자에 대한 연구가 진행되었고,
최근logic
소자 응용과 관련된 탐색연구가 진행 중● 지금까지 연구된 다양한 단위소자의 특성을
Boolean logic
과von Neumann
아키텍처를 고려하여 비교하면,
기존CMOS
소자와 비교할 때 특별한 장점 확인이 불가능● 미국에서 대형연구과제로 소자