이 기술은 기존 반도체 제조 공정과 호환됩니다.
교차 기관 연구팀이 MRAM 개발의 획기적인 발전을 상세히 다룬 논문을 발표했습니다. 주도적인 역할을 수행한 대만 국립 양밍차오퉁 대학교(National Yang Ming Chiao Tung University, NYCU)가 공개한 블로그 포스팅에 따르면, 이 연구진은 이와 같은 비휘발성 메모리의 개발과 상용화를 가로막았던 주요 난제를 해결하는 데 성공했습니다. 연구원들은 자신들이 개발한 스핀-궤도 토크 자기 랜덤 액세스 메모리(SOT-MRAM)가 약 1ns의 스위칭 속도와 10년을 초과하는 데이터 유지 능력 등 여러 이점을 갖춘 진정한 차세대 혁신이라고 주장합니다.
이번 최신 SOT-MRAM 개발은 대만 국립 양밍차오퉁 대학교(NYCU), 선도적인 칩 파운드리 TSMC, 대만 산업기술연구원(ITRI), 대만 국립 싱크로트론 방사 연구센터(NSRRC), 스탠퍼드 대학교, 그리고 대만 국립 중성대학교(National Chung Hsing University, NCHU)가 참여한 대규모 협력의 결과물입니다. 저희는 이 팀이 2024년 1월에 SOT-MRAM 어레이 칩을 구축한 초기 진전 사항을 다룬 바 있으나, 그 이후로 훨씬 많은 진전이 이루어졌습니다.
텅스텐층의 도입
최근 발표된 논문에서 제시된 핵심 진전 사항은 스핀 전류를 생성하기 위해 텅스텐층을 도입했다는 점입니다. 구체적으로 연구팀은 성능 향상에 필수적이며, SOT-MRAM 장치의 궁극적인 대량 생산에도 결정적인 역할을 할 희귀한 베타-상(beta-phase)의 텅스텐을 안정화시키는 데 성공했습니다.
초밀도 차세대 데이터 저장의 열쇠: 나선형 2D 물질의 새로운 자기 상태
지난해 저희는 NYCU의 SOT-MRAM이 최대 10ns의 지연 시간(latency)을 가질 수 있다고 보도했으나, 이제 상황은 크게 개선되었습니다. 과학자들이 구축한 64kb 어레이 테스트 결과에 따르면, 지연 시간은 약 1ns로 단축되어 SRAM과 견줄 만한 성능을 보여줍니다. 비교하자면, 이는 DRAM(DDR5의 지연 시간은 약 14ms)보다 빠르며, 3D TLC NAND(읽기 지연 시간은 50~100 마이크로초 사이)보다도 훨씬 빠릅니다.
이와 더불어, 이 새로운 SOT-MRAM은 비휘발성(non-volatility)이라는 근본적인 이점까지 제공합니다. 최신 SOT-MRAM 장치 시연을 통해 확인된 기타 주목할 만한 진전 사항은 다음과 같습니다.
- 초고속 스위칭 속도 (최대 1 나노초)
- 10년을 초과하는 데이터 유지 능력
- 146%의 터널링 자기 저항(tunneling magnetoresistance)
- 에너지 효율성이 중요한 응용 분야에 적합한 낮은 전력 소비
코발트의 역할
연구 논문에는 "얇은 코발트층의 삽입을 백엔드 공정(back-end-of-line) 호환 열 조건 하에서 β-텅스텐을 안정화하는 데 활용할 수 있다"고 명시되어 있습니다. 이 새로운 복합층을 사용하여 SOT-MRAM은 최대 400°C에서 10시간, 심지어 700°C에서 30분 동안 견딜 수 있는 것으로 테스트되었습니다.
구현 가능성 및 응용 분야
협력 기관에 TSMC 과학자들이 포함되어 있다는 점에서, 이 새로운 SOT-MRAM 장치들이 기존 반도체 산업 호환 공정(semiconductor industry-compatible processes) 하에서 대규모 통합을 목표로 설계되고 있다는 사실은 당연하게 여겨집니다. 결과적으로 SOT-MRAM은 속도와 비휘발성이라는 두 가지 이점을 바탕으로 AI 데이터 센터 시장은 물론, 속도와 안정성이 중요한 엣지(Edge) 저전력 컴퓨팅 애플리케이션 시장에 적용될 것이 확실시됩니다.
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