3-4세대 퓨전 메모리(Fusion Memory) 기술 발전 방향에 관한 고찰 ②

NT+BT+IT 융합의 필요성 고찰메모리를 중심으로 멀티-융합현상을 실현하여 인간(고객)중심적 문제에 대한 솔루션 및 서비스를 제공하려면 나노기술(NT)을 베이스로 기존의 정보기술(IT)과 바이오기술(BT)이 융합이 되어야 한다. 이번 회에서는 왜 융합이 되어야 하는지 그 필요성에 대해 정보기술(IT)을 중심으로 간단히 살펴보도록 한다.정보기술(IT)의 한계 - 무어법칙과 황의 법칙의 한계무어(Moore)1의 법칙은 Moore(1965)2에 의해서 제창된 이론으로, 그는 일렉트로닉스 매거진에 기고한 글에서 엔지니어들이 수개의 일렉트로닉(전자) 디바이스(트랜지스터)를 마이크로 칩에 응집(집적)할 수 있을 것이라 확신했다. 또한 그는 집적되는 트랜지스터의 개수가 대략 매년(10년 후인 1975년의 국제회의에서 24개월로 수정되었으며 그 이후 전문가들은 18개월로 말함) 두 배로 증가할 것이라고 주장하였다.무어 법칙에 따라 컴퓨터의 성능이 매 18개월마다 두 배씩 증가하므로 일반 소비자들은 같은 값에 두 배의 성능을 갖춘 컴퓨터를 사용하게 됨으로 인하여 경제적이라 할 수 있겠지만, 생산자들의 입장에서는 (1) 18개월이라는 시간에 대한 압력감 및 스트레스, (2) 더욱 작게 만들어야 성능을 향상시킬 수 있으므로 나노기술 등과 같은 새로운 기술에 대한 끊임없는 도전, (3) 에너지 소비 측면에서 실리콘이라는 기본 물질이 녹아 버릴 수 있다는 데에 대한 불안감, (4) 그리고 같은 가격을 유지해야 한다는 투자대비 비용절감이라는 스트레스 등 수 많은 도전이 앞을 가로막고 있는 것이 현실이다(Kanellos, 10 Feb 2003)3. 따라서 최근에는 이런 점에서 무어 법칙의 한계라는 새로운 이슈를 야기 시키고 있다(Kanellos, 01 Apr 2005)15)4.황의 법칙은 삼성전자의 황창규 사장이 2002년 2월 세계 3대 반도체학회인 국제반도체학회(ISSCC, http://www.isscc. org/isscc/)에서 발표한 것으로 업계의 정설로 인정되고 있는데(이채윤, 2006), 메모리의 용량은 1년에 2배로 증가한다는 이론이지만 앞에서 설명한 무어의 법칙이 안고 있는 똑 같은 문제를 안고 있다.불확정성 윈리, 터널링 효과와 단채널 효과 문제무어 법칙과 황의 법칙의 한계와 문제란 하이젠베르크(Werner Heisenberg)가 1927년 제안하고 1932년에 노벨물리학상을5 수상하게 된 불확정성 원리(Uncertainty Principle)6를 의미한다(이인식, 2002)7. 불확정성 원리란 양자역학(Quantum Mechanics)의 원리로 반도체가 하양식 기술에 의해 점점 작아지면 그 크기가 나노크기의 미시세계로 진입하게 되어, 전자의 위치와 운동량을 정확하게 제어 할 수 없다는 이론이다.따라서 문제는 반도체의 게이트 길이가 5나노미터 이하로 내려가면 그 때부터 불확정성 원리에 의해 터널링 효과(tunneling effect)8가 일어난다. 전자들은 전압을 가하지 않아도 제 마음대로 채널을 통해 지나가는 현상이 발생한다(Razavy, 2003)9. 그 이유는 게이트 길이가 너무 작아 소스(source)와 드레인(drain)이 아주 극단적으로 밀접해 있기 때문에 전자의 제어가 불가능해 정확한 신호전달이 불가능해진다. 그러므로 이 터널링 현상이 일어나는 시점에 도달하면 트랜지스터는 기본 데이터의 소스로서는 신빙성이 없게 된다. 하이젠베르크의 불확정성 원리가 작동하기 때문에 전자의 위치가 정확이 어디에 있는지 예측하기가 불가능하기 때문이다(Griffiths, 2004)10.또한 단채널 효과(Short Channel Effect: SCE)가 나타나는데, 트랜지스터의 게이트 길이가 너무 작아 소스와 드레인이 너무 근접함에 따라 소자특성이 나빠지는 현상을 의미한다(Song et al., 2002)11. 단채널 효과에 의해 게이트가 더 이상 소스와 드레인 간의 운반자의 이동, 즉 전류를 제어할 수 없게 되어 스위칭 기능을 상실한다. 게이트의 길이를 짧게 만들면, 누설전류가 증가하거나 on/off를 조절하는 전압에 비선형 특성들이 나타나 회로설계에 문제가 된다.특히 반도체가 나노크기로 들어서면서 단채널 효과는 더욱 심각하므로 유용한 전류-전압특성을 얻기 위해서는 소자의 구조가 복잡해지는 문제를 감수할 수밖에 없는 실정으로 보인다(Lee & Shin, 2004)12.신기술에 대한 도전과 연구이러한 한계와 문제를 극복하는 방법으로 Kurzweil(2007)13은 카본 나노튜브(carbon nanotubes)나 실리콘 나노와이어(nanowire)가 그 대체방안이 될 수 있다고 제안하였다. 결국 나노기술이 융합되어야 함을 강조한 것이다. 이들 나노베이스의 신물질을 이용한 트랜지스터들은 상대적으로 크기가 최소화될 수 있다. 카본 나노튜브의 경우 그 지름이 1~2나노 크기이다. 그리고 이들을 소스와 드레인 사이에 배열할 수 있다. Bernstein(2004)14은 나노튜브가 가장 최적의 극복방법이라고 강조하면서, 나노튜브를 활용하면 컴퓨팅의 성능은 향상될 것이고 에너지 소비는 상대적으로 줄일 수 있다고 보았다. 그는 나노튜브 트랜지스터의 이론적 최고속도는 ‘테라헤르츠 정도 될 것이며 이는 현대의 컴퓨터들보다 1,000배 빠를 것’이라고 주장했다. Postma 등은 실온에서 작동하며 상태 변환에 전자 단 하나를 활용하는 1×20나노미터의 나노튜브 트랜지스터를 개발하였다(Postma et al., 2001)15. 비슷한 시기에 Collins 등은 천 개의 나노튜브 트랜지스터를 장착한 집적회로를 개발해 선보였다(Collins et al.,2001)16. 실제로 NT가 융합된 IT 기술의 연구개발 사례로 미국의 Nantero(난테로, www.nantero.com) 기업이 나노베이스의 NRAM의 상용화에 도전하고 있다. 이들이 도전하고 있는 기술은 기존의 정보기술에 나노기술을 융합하는 기술들이다.Bennewitz 등은 다른 신기술에 도전하고 있는데, 세포(cell)나 분자(molecular), 또는 유전자의 메커니즘인 자기복제(Self-replication), 자기조립(Self-assembly) 및 자기조직화(Self-oganization)을 이용한 분자 메모리, 분자 디바이스, 분자 입자에의 도전으로, 몇 개의 분자들을 갖고 연산하거나 원자를 이용하는 기술이다(Bennewitz et al., 2002)17. Yan 등은 은(silver)에 DNA를 코팅하여 초극미세의 와이어(Wire)를 개발했다(Yan et al., 2003)18. Keren 등은 DNA 모형의 스스로 조립하는 카본 나노튜브 전계-효과 트랜지스터(DNA-Templated self-assembled carbon nanotube field-effect transistor)를 개발했다(Keren et al., 2003)19. DNA의 가닥을 이용하여 스스로 복제되고 조립하여 스스로 구축되는 가장 작은 트랜지스터를 개발했다. 그러나 이들이 개발한 분자 디바이스들은 아직 랩(Lab) 수준에 불과하다. 이러한 분자 연산이 가능한 반도체를 실제로 개발하고 실현하려면 전자공학, 물리학, 화학, 심지어 생물학적 과정에 대한 역 분석 등 여러 분야의 연구가 함께 진전되어야 하므로, 결국 BT와 NT의 기술이 융합되어야 한다(Kurzweil, 2007)20.나노기술(NT)을 바탕으로하향식(IT)과 상향식(BT)의 조우 필요성메모리를 기반으로 하는 정보기술은 하향식 방식으로, 기존의 공정기술인 다양한 식각기술을 최대한 활용하여 물질(지금까지는 대부분 실리콘)의 선폭을 아주 작게 만들고 이에 맞는 나노미터 영역의 소자 특성 크기를 만드는 것이다.반도체 공정기술인 130나노 -> 90나노 -> 65나노 -> 45나노 -> 32나노 -> 22나노 -> 16나노처럼 하향식으로 계속 작게 만들어 가다 보면, 거기에는 앞서 살펴본 불확정성의 원리, 터널링 효과, 그리고 단채널 효과라는 극복해야 할 과제를 만나게 된다. 여기서 중요한 것은 이러한 하향식으로 나노크기의 반도체를 만들면 그것은 실제 눈으로 볼 수 없는 분자기계(MEMS, NEMS)를 만들게 된다는 점이다. 따라서 그 다음의 방법은 분자의 메커니즘인 자기복제(Self replication)와 자기조립(Self assembly)의 자기조직화(Self organization)가 적용되어야 한다. 그러므로 결국 하향식 방법의 기술들은 NT 기술을 바탕으로 상향식의 기술이 융합되어야 한다.Kurzweill(2007)21은 하향식의 전자공학 기술이 효율적으로 전개되려면 나노기술을 기본으로 그 반대 개념인 상향식의 자기조직력을 갖춰야 한다고 지적하고 있다. 자기조립이란 비뚤게 형성된 부품들을 알아서 폐기 할 수 있게 함으로써 수조 개의 회로 부품들이 저절로 올바른 조직을 갖추게 하는 것이다. UCLA는 2002년 기존의 식각기술이 아닌 화학을 이용하여 공장이 아니라 시험관에서 스스로 자기조립하는 대규모 회로를 만들 수 있을 것이라 지적했다(Diehl et al., 2002)22. 기존의 하향식 방법은 그 반대의 상향식과 만나야 함을 의미하는 것이며, 또한 기존의 상향식 방법은 그 반대의 하향식과 만나야 함을 의미하는 것이다.Mulhall은 그의 저서 <우리 분자의 미래(2004)>23에서 분자혁명이 주도하는 분자경제가 도래할 것을 예고하면서, 분자들의 순서 배치(positioning), 스스로 복제하는 분자, 그리고 세포(Cell)의 유전자 명령에 따라 다른 세포나 단백질을 만드는 세포내의 분자공장인 리보솜과 같은 자기조립이 가능한 분자 디바이스나 분자 제조기에 도전하려면 하향식과 상향식의 조우가 필요함을 강조하면서, 이를 달성하려면 유전공학(Genetics), 로봇공학(Robotics), 인공지능(AI), 그리고 나노기술(NT)이 융합되어야 함을 강조하고 있다.오랫동안 화학자들과 생물학자들은 나노기술을 기반으로 아래에서 위로의 상향식 관점에서 재질을 구성하는 분자의 구조를 해결하는데 집중해왔고, 물리학자들과 전자 공학자들은 나노기술을 기반으로 위에서 아래로의 하향식 관점에서 더욱 작은 기계를 만들기 위해 노력해왔다. 그 결과 이제 새로운 분자과학이 등장하고 있다. 분자과학은 의약뿐 아니라 새로운 합성물질을 만들게 하고 전자 공학자들로 하여금 분자메모리나 분자기계를 만들게 한다.이제 나노기술을 바탕으로 하향식은 상향식과 조우하여 미세한 분자기계들을 만들고, 상향식은 하향식과 조우하여 10억 단위의 분자가 융합된 새로운 물질을 만들게 될 것이다(이인식, 2002)24.결론적으로 나노기술을 중심으로 상향식과 하향식의 조우가 필요하다, 즉, 나노기술은 상향식과 하향식의 한계를 극복할 수 있는 기술이다(유규하, 2004; 산업연구원, 2005)25. 하향식으로 내려가다 보면 부닥치는 문제들은 상향식의 화학, 생물학, 분자생물학에서 그 답을 제공하게 될 것이고, 상향식으로 올라가다 보면 부닥치는 문제들은 기존의 물리학, 전자공학이나 컴퓨터 공학에서 그 답을 제공해줄 것이라는 점이다.대략 추정하건 데, DNA(디옥시리보핵산)의 이중 나선이 보이는 1억분의 1m(10nm)에서 DNA의 분자 구조가 보이게 되는 10억분의 1m(1nm)에 도달하면 두 가지 방법이 조우하게 될 것으로 보이는데, Kurzweil(2007)은 정보기술이 생물학을 초월하는 시점을 특이점(Singualrity)이라 정의하고 그 시점을 대략 2045년경으로 추정하고 있으며, 차원용(2006)26은 2045~2055년경으로 추정하고 있다. 이때 과학자들은 스스로 자기복제하고 자기조립되는 자기조직화베이스의 분자생물학의 기술을 발견하게 되어, 이를 이용한 자기조직화의 분자 소자 메모리 등의 생물전자공학(Bioelectronics)베이스의 4세대 분자 메모리로 진입하게 될 것이다. Kurzweil(2007)의 특이점을 고려하여 이를 하나의 그림으로 도식화하면 위의 그림 1과 같은데, 나노기술은 상향식 방법과 하향식 방법을 연결하는 기술임을 알 수 있다.3세대-4세대 퓨전 메모리의 발전 방향IT기반의 INT(탄소나노튜브 메모리) 및 IBT(분자 메모리) 퓨전 메모리우선 거시적인 IT+NT+BT의 융합기술 관점으로 보면 그림 2에서 보는 바와 같이 총 4개의 영역에서 총 7가지의 융합기술이 일어나고 있음을 알 수 있다. ①번 영역에서는 NT 산업을 기반(중심)으로 IT가 융합되는 NIT 융합기술과 IT 산업을 기반으로 NT가 융합되는 INT 융합기술로 분류할 수 있다. ②번 영역에서는 IT 산업을 기반으로 BT가 융합되는 IBT 융합기술과 BT 산업을 기반으로 IT가 융합되는 BIT 융합기술로 분류할 수 있다. ③번 영역에서는 NT 산업을 기반으로 BT가 융합되는 NBT 융합기술과 BT 산업을 기반으로 NT가 융합되는 BNT 융합기술로 나눌 수 있다.그리고 NT+BT+IT가 완벽하게 융합되는 공통집합융합기술 부분의 ④번 영역이 있는데, 이 영역의 융합기술이 최종 발전 방향이자 목표임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 IT를 중심으로 NT와 BT가 완벽하게 융합되면 INBT 융합기술이 될 것이고, BT를 중심으로 IT와 NT가 완벽하게 융합되면 BINT, 그리고 NT를 중심으로 BT와 IT가 완벽하게 융합되면 NBIT 융합기술로 분류할 수 있다. 이 ④번 영역의 융합기술들은 각각의 기술들이 100% 융합되는 공통집합융합기술이기 때문에, 융합기술의 용어 정의에서 살펴보았듯이, 100% 완벽하게 융합되면 결국 같은 의미이므로, 어떤 융합기술 용어를 사용할 것인가가 관건이 될 것으로 보인다.반도체 메모리 관점에서 보면 ①번 영역의 INT 융합기술과 ②번 영역의 IBT 융합기술이 바로 3세대와 4세대의 융합기술이므로, 3-4세대의 퓨전 메모리는 바로 INT의 카본나노튜브(또는 와이어)베이스의 3차원(3D) Flash, NRAM, MRAM, PRAM, ReRAM, FeRAM, 양자점 메모리, 광자 메모리, 스핀 메모리, MEMS/NEMS와 IBT의 생물전자공학(Bioelectronics) 베이스의 3차원 DNA메모리나 세포 메모리 등의 유기 분자 메모리(바이오 메모리), 바이오센서, 인공생체공학(Bionics) 보조 메모리, 인체매질 컴퓨팅, 생체정보 인터페이스, 인공지능 메모리 등 임을 쉽게 알 수 있다.그리고 반도체 메모리 관점에서 ④번 영역의 퓨전 메모리를 본다면 SoC(System on chip), NoC(Network on chip), PoC(Package on Chip), SiP(System in package), DoC(Demand on chip), SoC(Sensors on chip), Optical Chip, 양자 컴퓨팅, NanoBioSensor -> NanoBioMems -> NanoBioNems -> MicroArray -> Micro Reactors -> Microfluidics Chip -> LoC(Lab on a chip) 등으로 발전하는 바이오칩을 들 수 있으며, 더 나아가 스스로 복제되고 스스로 조립되며 스스로 구성하여 자기조직화하는 인공장기, 인체내의 자명종인 시간의 유전자에 따라 개인화된 맞춤식 교육/학습/의료/서비스가 가능케하는 먹는 메모리(컴퓨팅) 등이 포함될 것으로 보인다.지(Knowledge)+분자(Molecular)를 다루는 퓨전 메모리이번에는 비즈니스 모델 변화 예측에 따른 3-4세대의 퓨전 메모리의 발전 방향에 대해 간단히 살펴보자. 그림에서 보듯이 산업사회의 데이터는 킬로바이트만 처리해도 되었던 1세대 메모리이고, 그 다음 정보사회는 멀티미디어를 다루는 메가바이트급의 2세대 반도체임을 알 수 있다. 그런데 2015년을 기점으로 지식(Knowledge)이 거래되는 유비쿼터스 시대로 진입하게 되면 기가(Giga) 단위의 정보를 다루는 3세대 반도체 메모리가 필요하게 되고, 이는 곧 2045~2055년의 특이점을 변곡점으로 하여 그 이상의 테라급을 다루는 4세대의 분자(Molecular)가 융합되는 소위 “지+분자경제” 시대가 도래함을 알 수 있다. 따라서 2015년부터 등장하는 3세대 퓨전 메모리는 다음과 같을 것이다. - 메모리에 일을 할 수 있도록, 기존의 모든 어플리케이션들인 ERP, CRM, SCM, KMS 등이 메모리에 융합되어, 소위 언제 어디서나 회사에 접속하여 일을 할 수 있는 시대가 도래할 것이다. 물론 이 때쯤이면 인터넷 보안 문제는 Internet2.org가 해결하게 될 것이다. - 메모리에 초중고 대학생들이 스스로 경험을 통해 학습할 수 있도록 3차원 학습 프로그램이 융합되어 제공될 것이다. 예를 들어 의대생들의 두뇌의 구조와 기능을 3차원으로 학습할 수 있는 3차원 Blue Brain Project27 가 2007년에 완성되면 2008년에 이 3차원 시뮬레이션 프로그램이 메모리에 융합되어 의대생들의 학습을 지원하게 될 것이다. - 작금의 2차원 멀티미디어는 2015년부터 모두 3차원 멀티미디어를 지원하는 퓨전 메모리로 전환되어, 스스로 주인공이 되고, 스스로 배우가 되며, 스스로 이승엽이 되어 스포츠를 즐길 수 있는 3세대 반도체로 진입하게 될 것이다. - 2015년경부터는 시각의 영상을 청각의 음성으로, 음성을 후각의 냄새 분자로, 냄새를 미각의 맛 분자로, 맛 분자를 촉각의 촉감으로 전환하는 오감 메모리가 등장하여, 인간의 오감을 지원하고 통신하는 오감 컴퓨팅/통신 시대로 진입하게 될 것이다. 이미 일본의 NTT와 Tokyo FM 라디오 방송은 MP3의 음악을 냄새로 전환하여 동시에 지원하는 향기 나는 라디오 서비스를 2006년부터 실시하고 있다.28 조만간 이메일로 장미꽃을 보내면 받는 사람의 디바이스에서는 장미꽃이 피면서 장미꽃 냄새가 퍼져 나올 것이다. - 2011년부터는 3차원 메모리에 의해 3차원 가상 쇼핑이 가능하게 될 것이다. 가상 쇼핑에서 옷도 입어보고 맞추는 3차원 Fitting Simulation이 등장하게 될 것이다.그 다음 4세대 퓨전 메모리는 다음과 같이 등장하게 될 것이다.쪾 이제 메모리 칩에 피 항 방울만만 떨어뜨리거나 흘려 넣으면 10분도 안되어 3,199가지의 인간의 병 중 어떤 병이 걸렸는지 즉각적으로 분석 진단할 수 있는 바이오센서 -> 마이크로어레이 칩 -> 미세유체칩(Microfluidics)이 2015년부터 등장하게 될 것이다. 칩에 내장된 3,199가지 병의 사전 지식에 의해 분석 진단되어, 오늘은 도파민 활성제 약을 2알 먹고 30분 휴식 후 운전하라는 메시지가 등장하게 될 것이다. - 마지막으로 2050년경부터는 스스로 자기복제(Self-replication)하고, 스스로 자기조립(Self-assembly)하며, 스스로 자기조직화(Self-organization)하는 분자 메모리가 등장하게 될 것이다. 그러면 작금의 기업이 소유하고 있는 특허들은 모두 개인단으로 이동하게 될 것이다.몸에 내장된 바이오칩에 의해 시간별 건강을 자동으로 체크하고, 그 시간에 필요한 물, 음료수, 소주, 비타 등이 필요하면, 기업들은 고객의 개인별에 맞는 특허를 만들어 제공하게 되고, 고객들은 대기에 있는 수소-탄소-질소-산소를 수집하여, 분자 제조기에 입력하면, 이들 분자들이 빌딩블록되어 본인의 건강상태에 맞는 원하는 물이나 음료수 등이 만들어 질 것이다. 음료수뿐만 아니라 수소-탄소-질소-산소 분자들이 빌딩블록되어 플라스틱이 만들어지고 플라스틱 고분자들이 3차원의 프린팅 방식이나 스프레이 방식으로 원하는 전자제품을 언제 어디서나 만들어 사용하게 될 것이다. 미국의 코넬 대학이 도전하고 있는 프로젝트가 바로 원하는 제품을 언제 어디서나 만들어 사용하는 Fab@Home29이다. 전구도 만들고 초콜릿도 만들고 시계줄도 만들고... 리모콘에서 피부까지...이때가 되면 대부분의 디바이스들이 이러한 분자 제조기(Molecular Fab) 개념으로 바뀌게 될 것이므로 산업간 제품 간 경쟁은 더욱 치열해 질 것이다. 그러나 이를 잘 준비하는 기업들은 엄청난 미래의 부를 창출하게 될 것인데, 대략 2050년경이 그 특이점이 될 것으로 예측하고 있다.
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