Memristor
- Memristor(멤리스터, Memory + Resistor)는 저항과 메모리 기능을 동시에 수행하는 소자이다.
- Memristor는 전압과 전류의 History를 기억하는 특성을 가진 수동 소자(Passive Device)이다.
- 저항과 유사하지만, 이전에 흘렀던 전류의 크기와 방향에 따라 저항값이 변하며, 전원이 차단된 후에도 저항값이 유지되는 비휘발성(Non—volatile) 특성을 가진다. DRAM은 휘발성 소자인데 반해, Memristor는 비휘발성 소자여서 매우 강력한 장점이 있다.
우리가 아는 수동 소자는 현재까지는 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)가 있지만, 미래에는 Memristor가 수동소자에 포함될지도 모르겠다.
Memristor의 기본 원리
- 금속-산화물-금속 구조의 옥스이드(Oxide) 기반의 물질(예: HfO₂, TiO₂ 등)에서 산소 빈자리(Oxygen Vacancy)의 이동을 통해 저항값이 변화한다.
- 높은 전압을 가하면 산소 빈자리가 이동하여 저항값이 낮아지거나 높아진다.
- 전압이 제거되더라도 빈자리 구조가 유지되어 저항 상태가 보존된다.
- 높은 저항 상태를 High-Resistance State(HRS)라고 하며, HRS에서는 전류가 잘 흐르지 않아 OFF 상태이다.
- 낮은 저항 상태를 Low-Resistance State(LRS)라고 하며, LRS에서는 산소 빈자리가 양극 쪽으로 이동하여 전도 경로(Conductive Filament)를 형성하여 전류가 흐를 수 있어서 ON 상태이다.
위 그림에서 LRS에서 Conductive filament가 형성되어 전류가 흐를 수 있고, HRS에 비해 상대적으로 낮은 저항이다. 결국, 저항을 측정하면 LRS와 HRS로 0과 1을 구분할 수 있게된다.
Memristor 응용 분야
- 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing)
- 기존 반도체 트랜지스터 기반 신경망보다 에너지 효율적
- Memristor는 시냅스 역할을 수행하며 가중치(weight)를 저장
- 뉴런과 시냅스 간 데이터 전송을 아날로그 방식으로 처리하여 빠르고 저전력 - AI 가속기 (AI Accelerator)
- Memristor를 활용한 행렬 연산(Matrix Operation) 가속
Memristor가 상용화가 어려운 이유
- 소자의 균일성 문제 (Variability Issue)
제조 공정에서 소자 특성이 균일하게 나오지 않음
- Memristor는 산소 빈자리(Oxygen Vacancy) 이동을 기반으로 동작하는데,나노 스케일에서 빈자리 분포가 불균일하여 각 소자의 특성이 일정하지 않음
- 동일한 전압을 인가해도 소자마다 저항값 변화가 다르게 나타나서 데이터 정확도가 떨어짐
높은 불량률 (Yield 문제)
- 기존 CMOS 반도체 대비 생산 공정에서 불량률이 높음
- 대량 생산 시 수율이 낮아 경제성이 부족함 - 신뢰성 및 내구성 문제 (Reliability & Endurance)
저항 상태의 장기적인 안정성 부족
- Memristor는 전원이 꺼져도 상태를 유지하지만, 시간이 지남에 따라 저항값이 자연스럽게 변하는 현상(Drift)가 발생하며 이로 인해 장기적인 데이터 저장 신뢰성이 떨어짐
내구성(Endurance)이 기존 반도체 대비 낮음
- NAND Flash과 DRAM은 무제한 쓰기기 가능한데 비해 Memristor는 수억~수십억 번 쓰기 이후 저항 변화가 둔화되는 문제 발생하며 이는 메모리 셀의 수명 단축으로 이어짐
여러 가지 이유가 있겠지만, 가장 중요한 건 아직까지는 신뢰성 문제가 가장 크지 않을까 싶다.
DRAM처럼 트랜지스터로 전류의 흐름을 완전히 차단할 수 있는 것이 불가능하여 누설전류가 발생한다. 또한, 트랜지스터가 없는 Crossbar 구조에서 원치않는 곳으로 전류가 흐르는 Sneak Path 문제가 발생한다.
Memristor는 보통 Crossbar Array 구조(트랜지스터 없이 단순한 교차형 구조)로 설계되는데, 전류가 경로를 벗어나 원하지 않는 경로(Sneak Path)로 흐를 가능 성이 있다. 이것은 비트 오류를 발생시키므로 데이터 손실 등의 문제 발생할 수 있다.
최근에는 HBM이 핫한데, 과연 미래에는 차세대 메모리인 Memristor가 메모리 시장을 선두할 날이 올까?
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