정윤영 교수 연구팀은 단 4개의 IGZO 트랜지스터만으로 원하는 데이터를 빠르게 찾아낼 수 있는 새로운 TCAM(Ternary Content Addressable Memory) 메모리를 개발하였다. TCAM은 저장된 여러 데이터와 찾고 싶은 데이터를 한꺼번에 비교할 수 있어, 인공지능과 빅데이터처럼 많은 정보를 빠르게 처리해야 하는 분야에 유용한 메모리이다.

기존 TCAM은 하나의 셀을 만들기 위해 보통 16개의 트랜지스터가 필요하지만, 연구팀은 위쪽과 아래쪽에서 모두 제어할 수 있는 dual-gate IGZO 트랜지스터를 활용해 이를 단 4개로 줄였다. 즉, 필요한 소자 수를 75% 줄여 더 작은 공간에 더 많은 메모리를 넣을 수 있게 한 것이다. 또한 메모리 규모가 커질수록 전기 신호가 약해질 수 있는 문제도 줄여, 대규모 메모리에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 설계하였다.

이번 연구는 더 작고, 더 적은 전력으로, 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 차세대 인공지능 반도체 기술로의 가능성을 인정받아 IEEE Electron Device Letters에 게재 승인되었다.

[연구자명]

1. 서태원, 하태준, 손승현, 김선민, 정윤영(지도교수)
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[연구제목]

1. 4-Transistor IGZO Ternary Content Addressable Memory Enabling Large-Scale Array Integration for In-Memory Computing 
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3. [연구내용 요약]
4. 인공지능의 성능을 향상시키기 위해서는, 수많은 데이터 속에서 필요한 정보를 얼마나 빨리 찾아내는지가 중요하다. 일반 메모리는 원하는 데이터를 하나씩 찾아가며 확인하지만, TCAM(Ternary Content Addressable Memory)은 여러 데이터를 한꺼번에 비교해 원하는 정보를 빠르게 찾을 수 있다. 때문에 인공지능이나 빅데이터처럼 많은 정보를 빠르게 처리해야 하는 분야에서 활용도가 높은 메모리이다.

   다만 기존 TCAM은 하나의 메모리 셀을 만들기 위해 보통 16개의 트랜지스터가 필요해 많은 공간을 차지하는 문제가 있어왔다. 따라서 본 연구팀은 위와 아래 두 방향에서 전기적으로 제어할 수 있는 dual-gate IGZO 트랜지스터를 활용해, 같은 기능을 단 4개의 트랜지스터만으로 구현하였고, 더 작은 공간에 더 많은 메모리를 넣을 수 있음을 확인하였다.

   또한, 특정 데이터 값을 비교하지 않아도 되는 ‘don’t care’ 기능을 구현해, 보다 유연하게 데이터를 검색할 수 있도록 했다. 이와 함께 메모리 규모가 커질수록 전기 신호가 약해져 오류가 발생할 수 있는 문제를 새로운 회로 구조로 줄여, 많은 메모리 셀을 연결한 대규모 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 설계했다.

   실제 제작한 소자는 100억 번 이상 반복해서 동작해도 안정적인 성능을 보였다. 또한 256×256개의 메모리 셀을 연결한 상황을 시뮬레이션한 결과, 약 350 ps라는 매우 빠른 속도로 데이터를 검색할 수 있었다. 종합적으로 이번 연구는, 앞으로 더 작고 빠른 인공지능 반도체와 메모리 기반 연산 기술을 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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[성과와 관련된 이미지 및 설명]

1. 위 그림은 기존 TCAM과 연구팀이 새롭게 개발한 TCAM의 구조를 비교한 그림이다. 기존 SRAM 기반 TCAM은 데이터를 저장하고 검색하기 위해 많은 트랜지스터가 필요하지만, 연구팀은 dual-gate IGZO 트랜지스터를 활용해 같은 기능을 단 4개의 트랜지스터만으로 구현하였다. 또한 검색 신호가 전달되는 방식을 새롭게 설계해, 메모리의 크기가 커질수록 발생할 수 있는 전압 감소 문제를 줄였다.

[연구결과의 진행상태 및 향후 계획]

본 연구진은 이번 연구에서 개발한 4-transistor IGZO TCAM 기술을 바탕으로 더 많은 데이터를 작은 면적에서 빠르게 검색할 수 있는 고집적 메모리 기술에 대한 연구를 이어갈 계획이다. 특히 IGZO 트랜지스터는 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있고 여러 층으로 쌓는 구조에도 적용할 수 있기 때문에, 향후 반도체 소자를 수직으로 적층하여 저장할 수 있는 데이터의 양을 더욱 증가시키는 연구로 확장할 수 있다. 논문에서도 제안된 구조가 4F²급의 수직·적층형 소자 구조로 확장될 가능성을 제시하고 있다.

[논문실적]

IEEE Electron Device Letters [Accepted]
DOI: 10.1109/LED.2026.3725692