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저전력으로 더 빠르게, '스핀 파(spin wave)' 자성 메모리

    • 이진영 기자
    • |
    • 입력 2019-12-30 11:17
    • |
    • 수정 2019-12-30 11:17
[싱가포르 국립 대학교(NSU) 홈페이지]

기존에 컴퓨터 메모리는 기기 안에서 자기 비트를 전환해 정보를 인코딩했다. 지난 11월 29일 싱가포르 국립 대학교(NUS)의 NUS 전기 및 컴퓨터공학 연구진은 메모리와 로직 장치의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 방법에 대해 발표했다. SciTech Daily는 자성을 전환할 때 '스핀 파(spin wave)'를 사용해 메모리의 효율을 높이는 새로운 방법에 대해 보도했다.

일반적으로 전통적인 전자 칩은 내부에서 전류가 흐르며 높은 열이 발생하고, 이로 인해 '줄 열(Joule heat)' 문제를 가진다. 기기 내부에서 이동 전하 충돌이 빈번하고 급속한 움직임이 생기면서 많은 양의 전력을 소모할 뿐만 아니라, 칩의 처리 속도가 저하되고, 기기에 통합할 수 있는 칩의 수가 제한되었다.

이 연구의 팀장인 양현수 교수는 "우리는 휴대폰, 컴퓨터 그리고 다른 전자 장치들을 사용할 때 항상 이러한 문제와 불편함을 가지고 있었습니다. 종종 이러한 장치들이 뜨거워지고 느려지는 것을 발견할 수 있었습니다. 게다가 자주 충전을 해야 했으며, 때로는 별도의 휴대용 충전기가 필요했습니다."라고 말하며 기존의 표준 전자 주입 방식을 사용하지 않고, '스핀 파'를 이용해 자성을 전환하는 새로운 방식에 대해 발표했다. 이 연구는 11월 29일 사이언스에서 발표되었다.

양 교수 팀은 항자성 매그논 수송 채널과 위상 절연체 스핀 소스로 구성된 두 개의 레이어 시스템을 구축했다. 세계 최초로 인접한 강자성층에서 스핀 파 기반 자기화 스위칭을 성공적으로 시연했으며, 상온에서 높은 효율을 보여주었다.

스핀 파는 준입자의 관점에서 '매그논'으로도 알려져 있는데, 자성 물질의 배열을 방해한다. 스핀 파는 전류를 필요로 하지 않아 이를 계산에 사용하면 전력 소비를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 스핀 파에 기초한 새로운 스위칭 체계는 이동 전하를 피할 수 있어 줄 열이 줄어들 것이라고 예상된다. 스핀 파 기반 스위칭의 발전을 통해 에너지 효율이 높은 칩의 개발을 기대할 수 있다.

이 연구의 첫 번째 저자인 왕 이 박사는 "스핀 파는 (심지어 절연체에서도) 이동 전하를 수반하지 않고 스핀 정보를 전달할 수 있습니다. 이 고유한 특성은 더 긴 스핀 전파를 허용하지만, 전자스핀에 비해 소실률이 낮습니다.", "우리가 스핀 정보를 매그논으로 부터 국소 자화로 전달할 때 자화(自化)를 조절할 수 있는데, 이는 '매그논 토크'로 이해될 수 있습니다."라고 설명했다.

왕 박사에 따르면 토크는 선형적인 밀고 당기기와 같이 물체에 대한 트위스트라고 생각할 수 있으며, 따라서 자성을 조작하는 이 새로운 방법은 미래에 데이터 메모리와 논리 장치에 사용될 수 있다. 왕 박사는 "저희 연구는 먼저 매그논 토크가 상온에서 자성을 전환하기에 충분하다는 것을 보여주었습니다. 매그논 토크의 효율은 이전에 추구되었던 전기 스핀 토크의 효율과 비교될만합니다. 우리는 이것이 엔지니어링 장치에 의해 훨씬 더 향상되고, 따라서 매그논 토크가 더 에너지 효율이 높아질 것이라고 믿습니다."라고 말했다.

왕 박사는 전기 스핀 토크가 스핀트로닉 장치 응용 시대를 열었으며, 예를 들어 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)과 같은 자와 스위칭을 활용한 새로운 매그논 토크 체계에서 이번 연구가 스핀트로닉스의 판도를 바꿀 수 있을 것이라고 자신감을 보였다.

연구팀은 매그논 토크의 효율을 더욱 향상시키고, 전기 부품을 사용하지 않고 매그논 장치를 탐색할 수 있도록 연구할 것이라고 말하며 매그논 토크 기반 기기가 미래에 초고속 애플리케이션을 구현해줄 것이라고 덧붙였다. 스핀 파의 주파수는 테라 헤르츠 범위로 테라 헤르츠의 장치들은 기존보다 훨씬 더 높은 속도로 데이터를 전송할 수 있기 때문이다.

이진영 기자 | [email protected]

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