1. 제4의 회로소자 멤리스터
전원 나가도 기존의 동작 패턴 기억, 접속 시간과 전력 소모량도 획기적으로 줄일 수 있어
하드 드라이브나 플래시 메모리에 있는 데이터에 접속하려면 시간과 전력이 많이 든다. 데이터를 신속하게 프로세서에 전달하는 D-RAM의 성능이 한계에 도달한 것.
HP 연구소의 R. 스탠리 윌리엄스 연구팀은 “앞으로 몇 세대 후면 자기 하드 디스크와 D-RAM 기술은 한계에 봉착할 것”이라고 말한다.
대신 그는 멤리스터라고 하는 회로소자를 써야 그 문제가 해결될 수 있다고 본다. 멤리스터는 회로를 구성하는 3대 소자인 저항기, 축전지, 유도자에 이은 제4의 회로소자다.
멤리스터는 다른 것과는 달리 전원이 꺼져도 마지막 동작 패턴을 기억한다. 전류가 다시 흐르면 회로의 동작 패턴은 예전과 같아지기 때문에 인스턴트 온 컴퓨터를 만들 수 있다.
멤리스터 이론은 이미 30년 전부터 존재했지만 윌리엄스의 연구팀은 올 초 최초의 멤리스터를 만들어냈다. 그는 앞으로 5년 후면 멤리스터 칩을 D-RAM과 하드 디스크 사이에 장착해 컴퓨터 부팅 과정을 생략할 수 있을 것으로 보고 있다. 또한 멤리스터의 저장 밀도는 플래시 메모리보다 우수하고 읽는 속도 역시 D-RAM보다 빠르다. 따라서 플래시 메모리와 D-램을 단번에 대체할 수 있다.
2. 실리콘 대체할 그라핀
칩의 속도 증가시키고 크기도 줄일 수 있어 초고속 및 초소형 전자기기에 적합
열은 각종 전자기기를 소형화, 그리고 고속화하는데 엄청난 장애물이다. 열이 증가하면 대부분의 소재는 전자를 통과시키기 어려워진다. 하지만 오래된 소재를 새로운 방식으로 구성하면 해답이 나온다.
흑연의 구조를 자세히 보면 탄소 층이 쌓여져 이루어진 것을 알 수 있다. 지난 2004년 흑연으로부터 단일 층을 분리해 낼 수 있게 됐는데, 이를 그라핀이라고 한다. 영국 맨체스터 대학의 연구자들은 그라핀의 전자적 속성을 실험해 보았는데, 이 결과 반도체 칩의 속도를 증가시키고 크기도 줄일 수 있다는 것을 알아냈다.
실제 그들은 지난 4월 그라핀으로 두께는 탄소 원자 하나, 폭은 탄소 원자 10개 정도인 세계에서 제일 작은 트랜지스터를 만들어냈다. 실리콘과 달리 그라핀 속의 전자는 먼 거리를 가도 방해를 받지 않는다. 그라핀의 이 같은 전자적 효율성은 실리콘의 100배에 달한다. 따라서 전자의 충돌에 의한 과열이 생기지 않는 초고속 전자기기를 만들 수 있다. 연구자들은 그라핀을 트랜지스터 이외에도 전선에 사용해 칩의 한 부분에서 다른 부분으로 더욱 빠르게 보내는 방법도 구상 중이다.
3. 대전 상태가 아닌 전자 자체에 정보 담기
스핀 통해 전자 하나하나에 정보 담고, 적은 전력으로 전자기기 작동시킬 수 있어
대부분의 전자기기는 대전 상태 여부에 따라 이진법 코드인 1(대전)과 0(대전되지 않음)으로 구분된 데이터를 읽는다. 하지만 지난 10년 동안 과학자들은 전자 하나하나를 사용해 1과 0을 표현하자는 안을 제안해왔다.
모든 전자는 자극을 가지고 있어 이에 따라 스핀을 한다. 연구자들은 전자의 스핀 방향이 위쪽 또는 아래쪽이냐에 따라 1과 0을 구분한다.
최근까지 과학자들은 갈륨비소(레이저 다이오드에 많이 쓰이는 소재)와 같은 반도체 내에서 전자의 스핀을 제어하고 감지해왔다. 전자스핀을 활용하면 과거의 전자기기에 비해 에너지도 적게 든다.
하지만 컴퓨터 산업기반 전체가 실리콘을 사용하는 기술에 맞게 만들어져 있다는 것이 가장 큰 장벽이었다.
결국 지난해 메릴랜드 대학의 물리학 교수인 이안 애플바움이 여러 개의 전자에 일정한 스핀을 주어 실리콘 속으로 350미크론 전진시키고 스핀의 마지막 각도를 결정했다. 또한 뉴욕 주립대학의 이고르 주틱과 동료들도 반도체 레이저 안의 전자스핀을 정렬시킨다면 적은 전력으로도 전자기기를 작동시킬 수 있음을 보여주었다. 이 같은 방식은 현재 컴퓨터 부품을 잇는 구리 전선에 비해 데이터 전송 능력이 1,000배나 우수하다.
| ■ 실리콘 내에서의 전자스핀 이동 메커니즘 ▲ 전자는 핵 주위를 도는 운동 외에 자기 축을 중심으로 회전운동을 하는데, 이 회전운동을 스핀이라고 한다. ② 전자 ③ 전자 주입기 ④ 실리콘 ⑤ 자기 필름 1. 전자 주입 전자 주입기는 두 개의 금속으로 이루어져 있는데, 그 중 하나는 자석 금속이다. 자석 금속과 비(非)자석 금속은 초박형 부도체로 격리돼 있으며, 두 금속 사이에 전압을 흐르게 하면 전자가 비 자석 금속에서 자석 금속 쪽으로 흐른다. 2. 필터 전자는 스핀 방향이 자석 소재의 방향과 일치할 때만 진행한다. 이것이 맞지 않으면 전자는 산란된다. 3. 실리콘 속 이동 전자는 스핀을 유지하면서 실리콘 속을 350미크론 정도 이동한다. 전자는 인트라 칩 기기 사이를 이동해야 하기 때문에 스핀 유지는 매우 중요하다. 4. 1과 0 감지 전자는 자석 금속의 얇은 막을 통해 마치 스키 점프 선수처럼 밀려나간다. 전자의 스핀 방향이 필름의 대자 방향과 일치한다면 전자는 근처의 반도체 위에 내려앉는다. 이로 인해 반도체가 대전되면 1로, 스핀 방향이 맞지 않아 전자가 다른 곳으로 날아가 버리면 0으로 판정된다. |
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