● 연구 배경 
오늘날 휴대 전화나 디지털 카메라 등의 휴대 기기에 플래시 메모리를 저장 매체로 한 SSD가 사용되고 있다. SSD는 기계적으로 구동하는 부품이 없기 때문에 빠르게 읽고 쓸 수 있고 소비 전력도 적고 충격에도 강하다. 따라서 자주 사용되는 프로그램과 데이터를 SSD에 저장하는 용도로 현재 폭넓게 사용되고 있다. 

중앙대학교와 게이오 대학 연구팀은 지금까지 테라바이트 (1 조 바이트) 용량의 NAND 플래시 메모리를 탑재해, 고신뢰로 비접촉식 초당 10 기가비트의 초고속 무선 통신 ? 급전 기능을 가진 무선 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD) 및 호스트 시스템의 실현을 목표로 연구 개발을 진행시켜 왔다. 

저장 매체로 SSD의 대용량화는 연구 개발의 큰 목표이지만 이를 달성하기 위해 메모리 셀을 작게 실장 밀도를 높임과 인접 셀 간의 간섭이나 기억하는 전자 수의 감소에 의해 오동작을 일으켜 결국에는 기대하는 성능을 얻을 수 없는 딜레마가 있다. 최근 SSD는 휴대 전화나 PC뿐만 아니라, 데이터 센터의 저장 장치 (스토리지)로 사용되기 시작하고 있다. 그러나 미래 자동차의 무인 자동 운전이나 동영상을 주고받는 소셜 네트워크 서비스 (SNS), 태풍이나 토네이도 등 기상 재해 예측, 폐기물 결품 제로의 식품 유통 시스템과 같은 빠른 실시간 처리를 필요로 하는 빅 데이터 서비스를 실현하려면 현재에 비해 SSD를 빠르게 해야 한다. 

또한 고속으로 실시간 처리를 필요로 하는 시스템의 실현, 신뢰할 수 있는 네트워크도 필요하다. 특히 여러 개의 모듈을 연결하여 복잡한 시스템을 구축하기 위한 커넥터 (연결 부분)의 고신뢰화, 고성능화가 신뢰할 수 있는 네트워크 실현의 열쇠이다. 예를 들어, 자동차의 무인 자동 운전 시스템은 센서, 전자 제어 장치 (ECU), 메모리 등 여러 장치를 연결하는 고속 자동차 네트워크를 필요로 한다. 2020년에는 현재보다 3배 많은 300개 정도의 전자 기기를 현재보다 10배 빠른 초당 100 메가비트 데이터로 연결해야 할 것으로 예측되고 있다. 하지만 종래의 커넥터는 고속 신호의 파형의 왜곡 때문에 더 이상 고속화가 어렵다. 또한 현재 자동차 네트워크에 사용되는 커넥터는 진동에 의한 통신 장애를 방지하기 위한 내진기구가 필요하기 때문에, 정션 박스에 집약 고정되어 있다. 따라서 고정된 커넥터까지 배선을 특별히 설치해야 하기 때문에 무게 증가와 연비의 악화를 불러왔다. 따라서 신뢰할 수 있는 자동차 네트워크를 구축하기 위해서 고속이면서 높은 신뢰성을 가진 커넥터의 개발이 매우 중요하다. 

● 연구 내용 
SSD의 저장 매체인 플래시 메모리는 용량이 큰 장점이 있지만, 1 밀리 초 (10 -3 초) 느리다는 문제가 있다. 한편, 저항 변화형 메모리 (ReRAM)는 100 나노초 ( 10-9 초)와 플래시 메모리의 1 만 배 빠른 쓰기가 가능하다는 특징이 있다. 연구팀은 그 동안 `고속 저전력` ReRAM과 "대용량 "플래시 메모리의 각각의 장점을 살리기 위해 양자를 3차원으로 조합한 하이브리드 구조의 SSD를 제안하여 왔다. 그런데 ReRAM을 실용화하기 위해서는 쓰기가 빠른 반면 읽기 및 데이터 보존 중에 데이터가 손상 쉽다는 문제가 있었다. 

본 연구는 ReRAM에 저장된 데이터의 오류를 정정하는 오류 정정 회로 시스템을 개발하여 오류를 80 % 절감하는 데 성공했다. ReRAM은 저항의 대소에 의해 데이터를 저장하지만 쓰기를 할수록 ReRAM의 피로 특성이 복잡하게 변화하고 보관된 데이터가 손상된다. 이에 이번 연구는 ReRAM의 특성의 변화에 추종하여 항상 최적의 조건에서 쓰기 ? 읽기를 할 수 있도록 읽기 수준 및 오류 정정의 강도, 메모리를 쓰기 전에 추가 변조 방법 등을 동적으로 변화시키는 신기술을 개발했다 . 그 결과, ReRAM의 오류를 80 % 감소하는데 성공했다. ReRAM은 단체의 메모리 셀은 100 나노초 정도 쓰기가 가능하지만, 기가비트 급으로 대용량화하면 메모리 셀의 특성이 불균일하여 저장 시간이 20 마이크로 초 정도까지 뻗어 버리는 문제가 있었다. 제안하는 오류 정정 회로는 쓰기 어려운 메모리 셀을 사용하지 않도록 제어하여 쓰기 성능을 33 배 향상시키는데 (쓰기 시간 약 500 나노초) 성공했다. 또한, 하나의 메모리 셀에 3비트 저장하는 TLC (Triple Level Cell) 플래시 메모리에 대해서도 메모리 셀에 재기록이 이루어져 메모리가 피로에 따라 기억되는 데이터의 양을 3 비트, 2 비트, 1 비트 변화시키는 방법을 개발하고 플래시 메모리의 수명을 22 배 길게하는 데도 성공했다. 

이번 기술은 ReRAM을 이용한 하이브리드 SSD는 실용화에 접근했다. 그 결과, 스마트 폰에서 무선으로 이미지나 데이터 다운로드가 가능하며, 또한 배터리 유지도 길어진다. 저장 장치의 속도 혜택은 단말기에 국한되지는 않는다. 클라우드 데이터 센터 스토리지 가속화하여 자동차의 무인 자동 운전이나 동영상을 주고 받는 SNS, 태풍이나 토네이도 등 기상 재해 예측, 폐기물 결품 제로의 식품 유통 시스템 등 고속 실시간으로 빅 데이터 서비스 실현에 기여할 것으로 예상된다. 

현재 자동차 네트워크에 사용되는 커넥터는 내진 구조를 갖추고 정션 박스에 집약 고정되어 있다. 그래서 가까운 전자 기기끼리를 접속하는 경우에도 배선을 접속 배선함까지 연장해야 했다 . 그 결과, 배선은 불필요하게 길어 중량이 늘어난다. 또한 커넥터를 통과할 때마다 신호 반사나 왜곡이 발생하기 때문에 네트워크의 고속화도 어려운 과제였다. 
연구팀은 이러한 문제의 원인은 종래의 커넥터가 전극을 압착하여 연결하는 점에 있다고 생각했다. 즉, 압착에 의한 연결은 진동 등의 외력에 전극이 빠진 것만으로 통신을 끊어 버리기 위해서 강력한 내진 구조가 필요하며, 또한 임피던스 (교류 회로에서의 전기 저항)가 급격하게 변화하는 접촉 면이 필연적으로 존재하기 때문에 거기서 신호의 반사나 왜곡이 발생하기 때문에 속도도 방해하고 있다. 

그래서 본 연구팀은 배선끼리 물리적으로 비접촉, 상태 전기적으로 연결된 "클립형 전자계 커넥터"를 고안했다( 그림 2 -2,3). 이 방법은 전극 사이의 전자계 결합 (전기장과 자기장을 이용한 전기적 연결)으로 회로를 연결하기 위해 압착하는 물리적인 접촉이 필요하지 않다. 배선의 피복 위에서 (피막을 기지 않고) 클립처럼 배선을 사이에 두는 것으로 회로를 연결하여 배선을 최단 경로로 할 수 있다. 계산으로는 자동차 배선 무게의 30 %를 절감하고 연비를 1.2 % 개선할 수 있다. 또한 기계식이 아닌 전자식 연결이므로 임피던스를 조정함으로써 기존에 비해 20 배 빠른 통신 (초당 280 메가 비트)을 달성했다. 

고속 통신 능력을 활용하여 (1) 송신 데이터 중복성을 추가 수신 측에서 오류 정정 기술, (2) 데이터 전송 타이밍 정보를 추가하여 확실히 동기 수신할 수 있는 기술, (3) 통신 주파수를 높여 방사 노이즈의 주파수 성분을 높게 하는 기술을 개발하고 잡음 내성을 향상 불필요한 노이즈 방사를 억제했다. 국제 표준화기구 (ISO) 및 국제 무선 장해 특별위원회 (CISPR)가 정한 잡음 내성 및 불필요한 잡음 방사에 관한 규격을 충족하는데 성공했다. 새로 개발한 커넥터는 스마트 폰 등의 휴대 정보 기기에도 적합하다. 


<용어 해설> 
1) 고체 저장 매체 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD) 
SSD는 저장 매체로 플래시 메모리를 가진 드라이브 장치로, 하드 디스크의 대안으로 널리 이용되고 있다. 기계적으로 구동하는 부품이 없기 때문에 빠르게 읽고 쓸 수 있고 소비 전력도 적고 충격에도 강하다. 따라서 자주 사용되는 프로그램과 데이터를 SSD에 저장하는 용도로 현재 폭넓게 사용되고 있다. 
2) 저항 변화 형 메모리 (ReRAM) 
전압을 인가하여 저항값이 변화하는 재료를 소자로 이용한 차세대 반도체 메모리. ReRAM은 전원을 꺼도 데이터를 저장할 수 있는 비 휘발성의 새로운 메모리로, 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빠르고 소비 전력도 적은 것이 특징이다. 
3) 플래시 메모리 
데이터 일괄 삭제를 특징으로 하는 전기적으로 데이터의 읽고 쓰기가 가능하고, 전원을 꺼도 데이터가 사라지지 않는 반도체 기억 장치. 
4) 전자계 결합 
2개의 신호선이 근접 배치될 때, 전기장 및 자기장으로 결합하여 신호가 무선 전파하는 현상. 기존에는 신호 누설 (크로스 토크)의 원인으로 인식되어 왔지만, 역전의 발상으로 전자계 커넥터에 이용하고 있다.  

*자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』