Optimizing short-term memory in transparent neuromorphic devices via microwave treatment: Enhancing transmittance and relaxation time (1)
내꺼내리에서 첫번째로 다룰 논문은 Optimizing short-term memory in transparent neuromorphic devices via microwave treatment: Enhancing transmittance and relaxation time 라는 제목의 논문입니다.
이 논문은 Journal of Alloys and Compounds 일명 Jalcom이라고 불리는 학술지에 2025년 1월에 개재된 논문입니다.
Accept 된건 작년12월인데 Published되는데 몇주 정도 더 걸려서 올해 1월 개재되었습니다.
Jalcom 학술지는 IF는 5.8정도로 그리 높은 편은 아니지만 금속공학 분야에서 2023기준 JCR 랭킹 상위 8.3%에 있는 꽤 좋은 학술지로 볼 수 있습니다.
이거 쓸때 진짜 고생 많이했고 리뷰도 질문이 40개 정도오고 기간도 한달밖에 안줘서 진짜 눈물 질질짜면서 리뷰했던 기억이 있는데요,, 참 애정이 많이 가는 논문입니다
기본적으로 논문의 길이가 굉장히 길고 내용도 꽤 방대해서 하나의 글로 끝내긴 어려울 것 같습니다. 여러개의 글로 나눠서 리뷰를 한번 해보도록 하겠습니다.
이 실험을 진행할때도 정말 시행착오가 많았는데.. 소자 구조 자체도 좀 복잡하고 소자만 한 몇십개는 만들어서 검증 실험을 해봤던 악몽이 떠오르네요.
<Review start>
이 논문의 큰 틀은 Reservoir computing에 적용하기 위한 MWT를 활용한 IGZO 기반 Volatile RRAM 최적화입니다.
벌써부터 단어들이 어질어질 한거 같긴한데 천천히 하나씩 짚어보도록 하겠습니다.
1. Reservoir computing (RC)
RC는 시간에 따라 변하는 데이터를 학습하기 위해 제안된 학습알고리즘입니다.
RC는 단기기억(short-term memory) 특성을 갖는 reservoir를 활용하여 시간에 따른 입력의 특징정보를 고차원의 공간으로 투사합니다. 즉 복잡한 비선형적 함수특성을 가지는 reservoir를 활용해 입력신호를 높은 차원으로 매핑한다고 볼 수 있습니다.
그 후 reservoir의 입출력을 담당하는 가중치들만 기존 학습알고리즘을 이용해 학습시켜 훈련의 효율을 극대화 시킬 수 있는 알고리즘 입니다. 기본적으로 reservoir는 고정이고 입출력 가중치들만 학습시키면 됩니다.
다만 reservoir를 구성하는 노드들은 입력에 따라 시간적으로 변해야 하며, reservoir 내부 상태는 과거의 입력과 현재의 입력 모두에 의해서 결정되어야 합니다.
따라서 축적컴퓨팅을 위해서는 단기기억특성을 독특한 특성을 가진 reservoir가 반드시 필요로 하게 됩니다. 이에 따라서 축적컴퓨팅 알고리즘을 하드웨어로 구현할 때는 reservoir를 어떻게 구현할지가 관건이다.
최근 들어 메모리 연구 분야에서 시냅스소자의 단기저항변화특성을 활용하여 reservoir를 구현하고, 이를 활용한 이미지 인식을 보여준 연구들이 나오고 있는 중입니다.
하지만 아직은 초기단계의 시도이며 최적의 reservoir를 하드웨어적으로 어떤 소자를 활용하여 구현할지는 연구가 더욱 필요한 부분이고 저의 연구 역시 이에 대한 연장선이라고 보면 될 것입니다.
RC를 그림적으로 표현한다면 위의 그림과 같습니다. 일반적인 ANN과 마찬가지로 input 노드들과 output 노드들이 존재하고 이 둘을 연결해주는 Reservoir가 있습니다. Reservoir에는 다수의 노드들이 존재하고 서로 막 엉켜있듯이 상호작용하고 있는 것을 볼 수 있습니다.
그렇다면 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 short-term 하드웨어 소자는 휘발 메모리를 떠올릴 수 있을겁니다.
우리가 이미 사용적으로 쓰고 있는 휘발 메모리에는 DRAM이 있다는거 다들 알고 계실겁니다.
하지만 DRAM도 구조적 복잡성, 효율 등등의 아직 개선해야할 방향성이 있기에 계속해서 이를 대체하기 위한 차세대 메모리 소자 연구들이 진행되고 있는데 Volatile RRAM도 이의 한축을 맡고 있다고 생각하면 편할것 같네요
2. IGZO based Volatile RRAM
자 그래서 전 이 논문에서 RC 시스템을 구현하기 위한 short-term memory로 IGZO based RRAM을 제안했습니다.
기본적의 저의 소자의 구조는 ITO/TiOx/IGZO/TiOx/ITO 구조로 상/하 대칭적인 구조를 가지고 있습니다. 또한 사용한 모든 물질들은 oxide 기반 물질들로써 높은 투과도가 보장되기에 투명 전자기기에도 사용이 가능할 수 있도록 설계되었습니다.
기본적으로 RRAM을 SNN 시냅틱 분야에 적용하기 위해선 소자의 저항상태가 abrupt하게 변하는 filament 모델보다는 점진적으로 변하는 interface 모델이 좀더 유리합니다.
연속적인 자극을 pulse를 활용하여 인가하였을때 사람을 모방하기 위해서는 점진적인 반응성 증가 특성이 필요하고 좀더 안정적인 작동이 가능해지기 때문입니다.
기본적으로 IGZO based RRAM은 filament 모델로 많은 연구들이 진행되어 왔습니다. 하지만 IGZO 증착 조건에 variation을 적절히 주는 방식이나, 다른 물질과의 bilayer 구조를 주는 등 다양한 방식을 통해서 interface model로 사용한 최근 연구들이 나오고 있었습니다.
저는 이 연구에서 상대적으로 oxygen vacancy가 많은 ITO와 IGZO layer 사이에 상대적으로 oxygen ion이 많은 TiOx를 끼워 넣음으로서 각 필름사이에서의 oxygen ion과 vacancy concentration 차이를 분명하게 두었습니다.
이를 통해서 각 필름들의 interface에서 쇼트키 베리어가 자연스럽게 발생하도록 소자를 설계했습니다.
이때 소자에 전기적 에너지를 인가하게 되면 필름들 사이의 interface로 oxygen ion과 vacancy가 몰리게 되고 이를 통해서 depletion region이 증가하게 됩니다.
Depletion region이 증가하게되면 자연스럽게 각 필름 사이의 barrier가 낮아지면서 소자의 전도도가 initial 상태보다 높아지게됩니다.
반면 전압 인가를 멈추게 되면 움직였던 이온들이 다시 농도 구배 현상에 의해서 diffusion 되면서 다시금 depletion region이 감소하게되고 다시 소자의 전도도는 낮아지게 됩니다.
이러한 현상을 활용하여 저의 소자는 volatile 특성을 가질 수 있게 되었고 저는 이러한 특성을 Microwave treatment 기법을 통해 조절하였습니다.
1. Microwave treatment (MWT)
MWT란 말그대로 소자에 마이크로파를 인가하여 열처리를 진행하는 방식입니다.
반도체 소자 공정 과정에서 가장 흔하게 사용되는 열처리 방식은 Rapid Thermal Annealing (RTA) 방식입니다.
이 RTA 방식은 급속으로 소자에 정확한 온도를 인가할 수 있다는 장점이 있어서 소자의 신뢰성 보장을 위해서 흔히들 많이 쓰는 방식입니다,
다만 이 방식은 일단 경제적이지 않고 급속으로 열이 올라간 장치를 냉각시키기 위한 냉각 장비도 필수적으로 구축되어야 합니다. 또한 Thermal buget 너무 높아서 flexible 소자를 대상으로는 사용하기에 제한적입니다.
더불어서 최근 연구에 따르면 더이상은 RTA가 소자의 소형화 프로세스를 따라올 수 없다고도 주장하는 경우도 있습니다.
그렇기에 이를 대체하기 위해 나온 신개념의 열처리 방식이 MWT라고 생각하시면 될것 같습니다.
MWT는 마이크로파를 이용하여 물질의 분자를 vibration 시켜서 열처리하는 방식으로 상대적으로 thermal budget이 낮아서 경제적이고 기술에 따라 국소 지역만을 열처리 할 수도 있기에 떠오르고 있는 기술입니다.
따라서 저는 이러한 MWT 시간에 variation을 주어서 저의 소자를 최적화하는 연구를 진행했습니다.
쩝.. 여기까지가 기본 배경이라고 생각하시면 될 것 같습니다.
기본 배경에 대해서는 좀 간단하게 할려했는데 막상 쓰다보니 길어지군요..
RC system 및 MWT에 대해서 더욱 궁금하신 분들은 관련 논문들을 서칭하여 찾아보시는 것도 추천드립니다. (요즘 꾀나 먹히는 주제인듯함.)
더욱 구체적인 논문 내용과 저의 리뷰는 다음 글에서 이어서 진행하도록 하겠습니다~