IBM 앨머데인연구소, 데이터저장 신기술 발표

쇼클리 반도체 연구소 연구원인 고든 무어는 1965년 “1년 6개월마다 하나의 반도체 칩에 들어가는 트랜지스터 수가 2배씩 증가한다.”고 발표했다. 반세기 넘게 전 세계 물리학계와 정보기술(IT)업계를 지배했던 이른바 ‘무어의 법칙’(메모리 성장론)의 탄생이었다. 트랜지스터 수가 2배씩 늘어난다는 것은 정보의 집적도가 그만큼 높아진다는 뜻으로, 더 작고 성능 좋은 반도체를 만들 수 있다는 것이다.





무어는 로버트 노이스, 앤디 그로브와 함께 1968년 인텔을 창업했고, 스스로 반도체의 역사를 이끌었다. 무어의 법칙에 가장 강력하게 도전했던 사람은 황창규 지식경제부 연구개발(R&D)전략기획단장이었다. 그는 삼성전자를 이끌던 2002년 2월 미국 샌프란시스코에서 열린 국제반도체회로학술회의(ISSCC) 총회 기조연설에서 “반도체 집적도는 1년에 2배씩 증가한다.”고 주장했다. ‘메모리 신성장론’ 또는 ‘황의 법칙’으로 불리는 이 주장은 기술의 가능성을 지나치게 높게 본다는 비판을 받았지만 삼성전자를 비롯한 전 세계 반도체업체들의 치열한 기술 경쟁 덕분에 10년 가까이 이어지고 있다.

●원자 단 12개로 1비트 저장

‘무어의 법칙’과 ‘황의 법칙’은 언젠가는 한계에 도달할 수밖에 없는 운명이었다. 무한정 작아질 수는 없기 때문이다. 나노 단위까지 작아진 반도체 기술은 더 이상 작아질 수 없는 장벽 앞에 서 있다. 실리콘을 이용한 현재의 반도체 원리는 집적도를 일정 수준 이상 높일 경우 반도체라는 특성 자체에 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 나노 단위로 작아진 물질은 원래의 성질과는 다른 양상을 보인다. 이 같은 차이는 신소재 등 일부 분야에서는 새로운 기회가 되지만, 특성을 그대로 이용하던 분야에서는 치명적인 약점이 된다. 이 때문에 학계와 기업들은 미래의 반도체에 대한 새로운 방식의 연구에 막대한 비용을 투자해왔다. ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀이 현재 가장 각광받는 연구 분야인 것도 반도체의 미래로 유력하게 꼽히기 때문이다.

기술이 항상 단계를 거쳐 발전하는 것은 아니다. ‘콜럼버스의 달걀’처럼 획기적인 발상은 때로는 문제를 보는 시각 자체를 바꾸고 한 분야의 패러다임을 전환하는 계기가 된다.

과학저널 ‘사이언스’ 최신호에 게재된 IBM 앨머데인연구소의 데이터 저장기술이 전 세계 물리학계와 반도체업계를 흔들고 있다. 18개월마다 2배의 집적도를 가진 반도체를 만드는 데 매달려 온 과학자들의 노력을 허무하게 만들 정도로 혁신적이기 때문이다.

안드레아스 하인리히 박사가 이끄는 연구팀은 절대온도(영하 273도)에 가까운 아주 낮은 환경에서 6개씩 2줄로 묶인 철(Fe) 원자 12개로 기본 저장 장치인 ‘반강자성체’를 만들었다. 현재의 데이터 저장 기술은 강자성체에 초점이 맞춰져 있다. 강자성체는 원자의 회전이 정렬되거나 같은 방향으로 진행되면서 신호를 만들어내는 원리다. 반면 연구팀이 이용한 반강자성체는 원자들이 반대 방향으로 회전하면서 데이터의 기본 단위인 1비트(bit)를 저장할 수 있다. 원자들의 회전 방향을 바꾸는 방식으로 디지털 신호인 0 또는 1을 표시하는 것이 가능하다. 사이언스는 “현재의 하드디스크(HDD) 형태에 1비트를 저장하기 위해서는 최소 100만 개 이상의 원자가 필요했지만, IBM의 연구 결과는 단 12개의 원자로 이 역할을 대신할 수 있다는 것”이라고 설명했다. 하인리히 박사는 “이 기술을 적용한 장치는 기존의 하드디스크 크기에 100테라바이트(TB) 이상의 정보를 담을 수 있다.”고 밝혔다.

●무어·황의 법칙 무력화

이는 집적도가 현재의 최신 기술보다 최소 100배 이상 높아지는 수준으로 무어의 법칙이 더 이상 유효하지 않다는 뜻이기도 하다. 연구팀은 주사터널링현미경을 이용해 원자가 배열된 모습은 물론 정보 처리 과정에서 방향을 바꾸는 모습까지 찍는 데 성공했다. IBM 측은 “이번 연구는 해당 연구실을 처음으로 설립하고, 실리콘 반도체를 대체할 미래의 반도체를 연구하는 데 평생을 바친 돈 아이글러 박사의 노력의 결과물”이라고 밝혔다. 아이글러 박사는 최근 연구소를 은퇴했지만 이번 사이언스 논문에 공동 저자로 이름을 올렸다. 허핑턴포스트는 “전통적인 반도체의 시대가 끝났다.”고 선언했다.

그러나 이번 연구 결과가 어떤 데이터 저장 장치로 발전할지는 아직 확실치 않다. 연구팀은 “현재와 같은 형태의 하드디스크를 만드는 방향과 새로운 형태의 메모리를 만드는 방법 모두 고려하고 있다.”고 밝혔다. 일각에서는 핵심 차세대 메모리인 ‘STT-M램’ 등 현재의 D램을 대체할 미래 기술의 발전을 이끌 것이라는 시각도 있다. 상용화까지는 최소 5년에서 10년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 현실적으로 해결해야 할 과제가 있기 때문이다. 이번 연구는 모든 물질의 활동이 거의 정지 상태에 가깝게 되는 절대 온도 근처에서 진행됐다. 실제로 연구팀은 온도가 5도만 올라가도 저장 장치로서의 기능을 상실한다고 밝히고 있다. 또 저장을 하더라도 이를 읽어낼 하드디스크나 레코드판의 ‘바늘’ 역할을 할 장치도 마련해야 한다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr