이것은 플래시 스토리지에 대한 우리의 인식을 변화시킬 잠재력을 가지고 있습니다.
푸단대학교 연구팀이 상하이에서 초고속 피코초(picosecond)급 비휘발성 메모리 장치를 개발하며 플래시 메모리 성능의 새로운 기준을 제시했습니다. 여기서 '피코초급 메모리'란 데이터를 1나노초의 1/1,000, 즉 1조 분의 1의 시간 안에 읽고 쓸 수 있는 메모리를 의미합니다.
이번에 개발된 'PoX' (Phase-change Oxide) 칩은 400피코초 단위로 스위칭이 가능하며, 이는 기존 세계 기록이었던 초당 200만 회 작동 횟수를 크게 능가하는 수치입니다.
전통적인 SRAM(Static Random Access Memory)과 DRAM(Dynamic Random Access Memory)은 1~10나노초 범위의 시간으로 데이터를 기록할 수 있지만, 휘발성(volatile) 메모리라는 단점이 있어 전원이 차단되면 저장된 모든 데이터가 손실됩니다.
반면, SSD나 USB 드라이브에 사용되는 플래시 메모리는 비휘발성(non-volatile)이라 전원 없이도 데이터가 유지됩니다. 하지만 그 속도가 느려 일반적으로 마이크로초(µs)에서 밀리초(ms)가 소요됩니다. 이러한 속도 제한은 실시간 처리 과정에서 대량의 데이터를 거의 즉시 이동하고 업데이트해야 하는 최신 AI(Artificial Intelligence) 시스템에 적합하지 않았습니다.
PoX는 비휘발성 메모리이므로 유휴 상태일 때도 전원 공급 없이 데이터를 유지할 수 있습니다. 극히 낮은 에너지 소비와 초고속 피코초급 쓰기 속도가 결합된 이 특성은, AI 하드웨어에서 에너지 사용량 대부분이 연산(processing)이 아닌 데이터 이동(moving)에 쓰이는 기존의 메모리 병목 현상을 해소하는 데 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
저우 펑(Zhou Peng) 교수와 푸단대학교 팀은 플래시 메모리 구조 자체를 근본적으로 재설계했습니다. 전통적인 실리콘 대신 전하가 빠르고 자유롭게 움직이는 성질을 가진 이차원 디랙 그래핀(two-dimensional Dirac graphene)을 사용한 것입니다.
연구진은 메모리 채널의 가우시안 길이(Gaussian length)를 조절하여 설계를 정교화했으며, 이를 통해 '2D 초주입(2D super-injection)'이라는 현상을 구현했습니다. 이는 메모리 저장층으로 예외적으로 빠르고 사실상 무제한에 가까운 전하 흐름을 가능하게 하여, 기존 메모리가 겪던 속도 제한을 효과적으로 극복한 것입니다.
저우 교수는 신화(Xinhua)와의 인터뷰에서 "AI 알고리즘을 활용하여 공정 테스트 조건을 최적화함으로써 이 혁신을 크게 발전시켰으며, 미래 응용 분야를 개척했다"고 밝혔습니다.
연구팀은 이 기술을 실제 제품에 적용하기 위해 연구 개발(R&D) 과정 전반에 걸쳐 제조 파트너들과 긴밀하게 협력하고 있는 것으로 알려졌습니다. 이미 테이프아웃 검증(tape-out verification)을 성공적으로 마쳤으며 유망한 초기 결과를 얻었습니다.
푸단대학교 통합 칩 및 시스템 국가 핵심 실험실의 류 춘선(Liu Chunsen) 연구원은 "저희는 이제 소규모의 완전 작동 칩을 제작할 수 있게 되었습니다. 다음 단계는 이를 기존 스마트폰과 컴퓨터에 통합하는 것입니다. 이를 통해 휴대폰이나 컴퓨터에서 로컬 모델을 배포할 때 기존 스토리지 기술로 인한 지연이나 발열 같은 병목 현상을 더 이상 겪지 않을 것입니다"라고 말했습니다.
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