[월드투데이 권성준 기자] 최근 삼성전자에서 자기 저항 메모리(MRAM)을 기반으로 한 인-메모리(In-memory) 컴퓨팅을 세계 최초로 구현해 화제가 됐다.

기존의 컴퓨터는 정보를 저장하는 메모리 칩과 연산을 실행하는 프로세서 칩으로 분화된 '폰 노이만 구조'를 가지고 있다. 하지만 이 구조는 메모리 칩에서 정보를 가져오는 속도가 느리면 전체 계산 속도가 느려진다는 단점이 있다. 메모리 칩의 성능이 전체 컴퓨터의 성능을 저하시키는 현상을 '폰 노이만 병목 현상'이라 한다.

인-메모리 컴퓨팅은 메모리 칩에서 데이터 저장과 연산을 동시에 실행할 수 있으며 병목 현상이 발생하지 않아 빠른 연산이 가능해져 AI 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그동안 인-메모리 컴퓨팅을 가능하게 할 메모리로 저항 메모리(RRAM), 상변화 메모리(PRAM), 자기 저항 메모리(MRAM)이 꼽혀왔다.

자기 저항이란 외부에서 자기장을 가했을 경우 저항이 변하는 현상을 의미한다. MRAM은 자기 저항 효과를 이용하는 메모리로 하드 디스크와 비슷하게 자석의 방향을 조절해 정보를 저장한다. 자석의 방향에 따라 소자의 저항이 바뀌어 0과 1을 만들 수 있기 때문에 인-메모리 컴퓨팅을 실현할 수 있을 것으로 기대되어 왔다.

MRAM은 두 개의 강자성체 사이에 얇은 절연체를 넣은 구조로 이루어져 있다. 절연체는 전기가 통하지 않는 물질을 의미한다. 만약 절연체의 두께가 수 나노미터 수준으로 얇다면 한 강자성체에 있는 전자들이 절연체를 통과해 반대편 강자성체로 이동하는 터널링이 일어날 수 있다. 이 현상을 터널 자기저항 효과(TMR)라고 한다.

강자성체의 N 극과 S 극의 방향이 서로 나란하느냐, 나란하지 않느냐에 따라 전자가 통과할 수 있느냐, 없느냐가 결정된다. 자석의 방향이 서로 나란할 경우 전자가 절연체를 통과하는 저항이 낮아져 터널링 현상이 일어나고 나란하지 않을 경우 저항이 높아져 터널링이 일어나지 못한다.

자석의 방향에 따라 전자가 느끼는 저항이 달라지는 현상을 거대 자기저항(GMR)이라 하며 알베르 페르와 페터 그륀베르크는 거대 자기저항을 발견한 공로로 2007년 노벨 물리학상을 수상했다. MRAM은 거대 자기저항을 이용해 소자의 저항을 변화시켜 전류를 조절해 0과 1의 정보를 만들고 저장한다.

하지만 MRAM은 낮은 저항값으로 인해 인-메모리 컴퓨팅에 적용해도 전력 이점이 크지 않다는 단점을 가지고 있었다. 이번 삼성전자 연구진은 이러한 MRAM의 한계를 기존의 '전류 합산' 방식이 아닌 새로운 개념의 '저항 합산' 방식을 제안해 저전력 설계에 성공했다.

연구진은 새로운 구조의 MRAM을 인-메모리 컴퓨팅뿐만 아니라 생물학적 신경망을 다운로드하는 뉴로모픽 플랫폼으로의 활용 가능성도 함께 제안했다.

삼성전자 종합기술원 정승철 전문 연구원은 "인-메모리 컴퓨팅은 메모리와 연산이 접목된 기술로 기억과 계산이 혼재되어 있는 사람의 뇌와 유사한 점이 있다"라며 "이번 연구가 향후 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술의 연구 및 개발에도 도움이 될 수 있을 것"이라고 말했다.