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ISSN : 2465-8456

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Vol.8 No.8

차세대 전력반도체 소자 기술 /
프로세싱 인 메모리 기반 뉴로모픽 기술 동향

date2022-08-31

writer경신수 / 박성모, 박필재

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차세대 전력반도체 소자 기술 / <BR/> 프로세싱 인 메모리 기반 뉴로모픽 기술 동향

차세대 전력반도체 소자 기술

 

이상 기후로 전 세계가 위협을 받고 있는 현재, 탄소 배출 저감을 위해 전력반도체의 중요성이 부각되고 있다. 전력반도체란 전자 기기 등에 필요한 전력을 각 기기에 맞게 변환, 변압, 안정, 분배, 제어하는데 사용되는 반도체를 의미한다. 태양광 패널에서 생산된 전력은 수천 kV의 고전압으로, 우리가 사용할 수 있는 전기로 바꾸기 위해서는 인버터를 통해 전력변환 과정을 거쳐야 하는데, 이때 인버터의 핵심 부품이 전력반도체이다. 또한 전기차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 전동기에 공급하는 인버터의 핵심부품 역시 전력반도체 이다. 이처럼 전력반도체는 2050년 탄소중립을 실현하기 위한 신재생에너지, 전기차 시장 등에서 수요가 급증하고 있고 최근 들어 와이드 밴드갭(WBG, Wide BandGap) 물질 기반의 소자로 제작되는 차세대 전력반도체가 부상하고 있다.

 

1960년대부터 실리콘 기반의 반도체 소자가 전력반도체에 활용되어 왔으나 효율성 및 신뢰성의 문제로 인해 넓은 에너지 준위 특성(와이드 밴드갭)의 차세대 전력반도체가 등장하였다. 본 호 1부에서는 탄화규소, 질화갈륨, 산화갈륨 기반의 차세대 전력반도체 소자에 대해 소개한다. 

 

차세대 전력반도체는 5G 이동통신, 사물인터넷, 모바일 디바이스 등 관련 산업 성장으로 향후 수요가 크게 성장할 것으로 전망되어 반도체의 시장의 블루오션으로 주목을 받고 있다. 지속적인 연구개발로 우리나라가 4차 산업혁명 시대를 이끌어 갈 차세대 전력반도체 산업을 선점할 수 있기를 기대해 본다. 

 

프로세싱 인 메모리 기반 뉴로모픽 기술 동향

 

2016년 구글 딥마인드社의 ‘알파고’와 이세돌과의 대국은 컴퓨터와 인간의 대결로 주목을 받은 한편, 기존의 컴퓨팅 하드웨어의 한계를 드러냈다. 이세돌은 커피 한 잔과 바나나 두 개로 에너지를 충당했지만 알파고는 무려 3,000여대의 기업용 서버를 연결해야 했고, 176개의 그래픽 처리 장치, 1,202개의 중앙 처리 장치, 103만개의 메모리 반도체, 100여 명의 과학자 등 물적·인적 자원이 동원되었으며 시간 당 170kw의 막대한 전력을 소모했다. 알파고의 하드웨어는 폰 노이만(Von Neumann) 방식의 아키텍처로, 중앙 처리 장치와 메모리 사이에 있는 하나의 통로로 데이터가 순차적으로 이동하며 처리되는데, 저장 장치와 연산 장치가 별도로 되어있어 처리 양이 많아지면 지연현상이 발생하는 구조적 한계가 있다. 이러한 컴퓨팅의 기술적 한계를 극복하기 위한 대안으로 뉴로모픽 반도체가 등장했다.

 

뉴로모픽(Neuromorphic, Neuro: 뇌 신경 + Morphic: 모방하다) 반도체는 인간의 뇌신경 구조와 기능을 모방한 인공지능 반도체로 내부에 뉴런과 시냅스를 모방한 소자가 들어 있어 정보 의 저장·연산·전송이 동시에 가능하여 기존 반도체에 비해 성능은 뛰어나고, 초저 전력으로 구동이 가능해 전력 소모량은 1억 분의 1에 불과하다. 

 

전 세계 각국과 함께 우리 정부도 3세대 인공지능 반도체인 뉴로모픽 반도체를 개발하고 있으며, 특히 인공지능 과 빅데이터 처리 분야에서 데이터 이동 정체 문제를 풀 수 있는 기술인 프로세싱 인 메모리(PIM, Processing in Memory) 개발에 주력할 예정이다. 본 호 2부에서는 인공지능 연산에 최적화된 프로세싱 인 메모리(PIM)에 대해 소개한다.