선구적인 뇌 영감 메모리 장치: 나노유체 멤리스터

정보를 쉽게 저장할 수 있는 능력인 메모리는 컴퓨터와 인간의 두뇌 모두에 매우 중요하다. 그러나 정보를 처리하는 데 사용하는 방법은 상당히 다르다. 인간의 두뇌는 저장된 데이터에 대해 직접 계산을 수행하는 반면, 컴퓨터는 메모리 장치와 중앙 처리 장치(CPU) 간에 데이터를 전송해야 한다.

폰 노이만 병목 현상으로 알려진 이러한 분리는 컴퓨터의 에너지 비용 증가로 이어진다. 50년이 넘는 기간 동안 연구자들은 시냅스와 유사하게 데이터를 계산하고 저장할 수 있는 전자 부품인 멤리스터(메모리 저항기)의 개념을 탐구해 왔다.

EPFL의 기술설계에 Nanoscale 생물학 (LBEN)의 실험실의 Aleksandra Radenovic는 훨씬 더 야심 찬 무언가를 위해 겨냥했다: 전자와 그들의 반대 위탁된 대응물 (구멍)보다는 오히려 이온에 의지하는 기능적인 nanofluidic memristive 장치. 이 접근 방식은 인간 두뇌의 정보 처리를 더 밀접하게 모방하고 에너지 효율적이다.

"멤리스터는 이미 전자 신경망을 구축하는 데 사용되었지만, 우리의 목표는 살아있는 유기체와 유사한 이온 농도의 변화를 이용하는 나노 유체 신경망을 구축하는 것입니다." 테오 Emmerich, LBEN에 박사 후 연구원은, 덧붙인다, "우리는 현저하게 확장 가능하고 이전 시도 보다는 매우 성과가 있는 기억 신청을 위한 새로운 nanofluidic 장치를 날조했습니다. 이를 통해 우리는 처음으로 두 개의 '인공 시냅스'를 연결할 수 있게 되었고, 뇌에서 영감을 받은 액체 하드웨어를 설계할 수 있는 길을 열었습니다." 이 연구는 최근 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 발표됐다.

멤리스터는 인가된 전압을 조작하여 두 가지 컨덕턴스 상태(켜짐과 꺼짐) 사이를 전환할 수 있다. 전자 멤리스터는 전자와 정공을 사용하여 디지털 정보를 처리하는 반면, LBEN의 멤리스터는 다양한 이온을 활용할 수 있다.

연구를 위해 연구원들은 칼륨 이온을 포함하는 전해질 수용액에 장치를 담그었지만 나트륨 및 칼슘과 같은 다른 이온도 사용할 수 있다. "우리는 우리가 사용하는 이온을 변경하여 장치의 메모리를 조정할 수 있으며, 이는 켜짐에서 꺼짐으로 전환되는 방식 또는 저장하는 메모리 양에 영향을 미칩니다"라고 Emmerich는 설명한다.

이 장치는 실리콘 질화물 막의 중심에 나노 기공을 생성하여 EPFL의 MicroNanoTechnology 센터의 칩에서 제작되었다. 연구진은 팔라듐과 흑연 층을 추가해 이온을 위한 나노 채널을 만들었다. 전류가 칩을 통해 흐를 때 이온은 채널을 통해 침투하여 기공에 수렴하여 압력으로 인해 칩 표면과 흑연 사이에 물집이 생긴다.

흑연층이 블리스터에 의해 들어 올려지면 장치의 전도성이 높아져 메모리 상태가 '켜짐'으로 전환된다. 흑연 층은 전류 없이도 들어 올려진 상태를 유지하여 장치가 이전 상태를 '기억'할 수 있도록 한다. 음의 전압은 레이어를 다시 접촉시켜 메모리를 '꺼짐' 상태로 재설정한다.

"뇌의 이온 채널은 시냅스 내부에서 구조적 변화를 겪기 때문에 이것도 생물학을 모방합니다"라고 중앙 기공을 향한 이온 흐름의 모양과 관련하여 매우 비대칭 채널(HAC)이라고 불리는 장치를 제작하는 데 참여한 LBEN 박사 과정 학생인 Yunfei Teng은 말한다.

또 다른 LBEN 박사 과정 학생인 Nathan Ronceray는 HAC의 메모리 동작을 실시간으로 관찰하는 것이 이 분야의 새로운 성과라고 말한다. "우리는 완전히 새로운 기억 현상을 다루고 있었기 때문에 현미경을 만들어 작동 방식을 관찰했습니다."  (Impact Lab)