이 새로운 칩은 700°C(1300°F)에서도 견딜 수 있으며 AI를 영원히 바꿀 수 있습니다.

이제 서던캘리포니아 대학교(University of Southern California) 연구원들은 그 한계를 뛰어넘는 방법을 찾았다고 믿고 있습니다.

2026년 3월 26일에 발표된 연구에서 과학USC Viterbi School of Engineering 및 USC School of Advanced Computing의 Ming Hsieh 전기 및 컴퓨터 공학과의 Arthur B. Freeman 석좌 교수인 Joshua Yang이 이끄는 팀은 섭씨 700도(화씨 ~1300도)에서 계속 작동하는 새로운 유형의 메모리 장치를 공개했습니다. 그 온도는 녹은 용암을 초과하며 이전에 이 기술 수준에서 달성한 온도를 훨씬 뛰어넘습니다. 장치에는 고장의 흔적이 보이지 않았습니다. 실제로 700도는 단순히 장비가 테스트할 수 있는 최대 온도였습니다.

양씨는 “이를 혁명이라고 부를 수도 있다”고 말했다. “지금까지 시연된 최고의 고온 메모리입니다.”

극한의 열을 위해 제작된 멤리스터

새로운 장치는 데이터를 저장하고 계산을 수행할 수 있는 나노 규모 구성 요소인 멤리스터(memristor)로 알려져 있습니다. 이는 양쪽에 두 개의 전극이 있고 그 사이에 얇은 세라믹 층이 있는 미세한 층 구조처럼 구성됩니다.

이번 연구의 첫 번째 저자인 Jian Zhao는 상부 전극에 텅스텐, 중간에 산화 하프늄 세라믹, 하부 층에 그래핀을 사용하여 장치를 제작했습니다. 텅스텐은 모든 원소 중 녹는점이 가장 높으며, 단일 원자 두께의 탄소 시트인 그래핀은 탁월한 강도와 내열성으로 알려져 있습니다.

이 조합은 놀라운 성능을 발휘했습니다. 장치는 새로 고칠 필요 없이 700도에서 50시간 이상 데이터를 유지했습니다. 또한 해당 온도에서 10억 개가 넘는 스위칭 주기를 견뎌냈으며 수십 나노초 단위로 측정된 속도로 단 1.5V에서 작동했습니다.

예상치 못한 돌파구

이번 발견은 팀의 원래 계획의 일부가 아니었습니다. 그들은 처음에 다른 그래핀 기반 장치를 만들려고 시도했지만 의도한 대로 작동하지 않았습니다. 그러던 중 그들은 놀라운 일을 겪었다.

“솔직히 말하면 대부분의 발견이 그러하듯이 그것은 우연이었습니다.”라고 Yang은 말했습니다. “예측할 수 있다면 일반적으로 놀라운 일은 아니며 아마도 충분히 중요하지도 않을 것입니다.”

추가 조사를 통해 장치가 왜 그렇게 잘 작동하는지 밝혀졌습니다. 기존 전자 장치에서는 열로 인해 상단 전극의 금속 원자가 세라믹 층을 통해 천천히 이동합니다. 결국, 이들은 하단 전극에 도달하여 장치를 단락시키고 켜진 상태로 유지하는 영구적인 연결을 생성합니다.

그래핀은 이러한 실패를 방지합니다. 텅스텐과의 상호작용은 Yang이 설명했듯이 기름과 물과 유사합니다. 그래핀 표면에 접근하는 텅스텐 원자는 그래핀 표면에 부착될 수 없습니다. 정착할 안정적인 지점이 없으면 전도성 브리지를 형성하는 대신 표류합니다. 이는 단락을 방지하고 극심한 열 속에서도 장치의 기능을 보존합니다.

연구진은 첨단 전자현미경, 분광학 및 양자 수준 시뮬레이션을 사용하여 이 메커니즘을 확인했습니다. 원자 인터페이스에서 어떤 일이 일어나는지 이해함으로써 그들은 예상치 못한 결과를 미래 설계를 안내할 수 있는 원리로 전환했습니다. 유사한 표면 특성을 가진 다른 재료를 식별할 수 있으며 이는 산업 생산을 위한 기술 확장에 도움이 될 수 있습니다.

극한 환경에서의 애플리케이션

섭씨 500도 이상에서 작동할 수 있는 전자 장치는 오랫동안 우주 탐사의 목표였습니다. 예를 들어, 금성의 표면 온도는 그 정도 수준이고 그곳으로 보내진 모든 착륙선은 극심한 열로 인해 부분적으로 실패했습니다. 현재의 실리콘 기반 칩은 이러한 조건에서 살아남을 수 없습니다.

양씨는 “현재 온도가 700도를 넘어섰고 앞으로 더 높아질 것으로 예상한다”고 말했다.

잠재적인 응용 분야는 우주 임무를 훨씬 뛰어넘습니다. 지열 에너지 시스템에는 주변 암석이 붉게 빛날 수 있는 지하 깊은 곳에서 작동할 수 있는 전자 장치가 필요합니다. 핵융합 시스템은 또한 장비를 강렬한 열에 노출시킵니다. 일상적인 환경에서도 내구성이 대폭 향상됩니다. 700도 등급의 장치는 자동차 전자 장치 내부에서 흔히 도달하는 약 125도의 온도에서 매우 견고합니다.

인공 지능이 중요한 이유

데이터를 저장하는 것 외에도 이 장치는 인공 지능에 큰 이점을 제공합니다. 많은 AI 시스템은 이미지 인식 및 언어 처리와 같은 작업에 사용되는 수학적 연산인 행렬 곱셈에 크게 의존합니다. 기존 컴퓨터는 이러한 계산을 단계별로 수행하므로 많은 양의 에너지를 소비합니다.

멤리스터는 문제에 다르게 접근합니다. 전압 곱하기 컨덕턴스가 전류와 같다는 옴의 법칙을 사용하여 장치는 전기가 흐르면서 직접 계산을 수행합니다. 결과는 측정된 전류로 즉시 획득됩니다.

Yang은 “ChatGPT와 같은 AI 시스템 컴퓨팅의 92% 이상이 행렬 곱셈에 지나지 않습니다.”라고 말했습니다. “이러한 유형의 장치는 가장 효율적인 방식으로, 훨씬 더 빠르고 더 낮은 에너지로 이를 수행할 수 있습니다.”

Yang과 이번 연구의 공동저자 3명(Qiangfei Xia, Miao Hu, Ning Ge)은 이미 실온에서 멤리스터 기반 AI 칩을 상용화하기 위해 TetraMem이라는 회사를 공동 설립했습니다. 그들의 연구실에서는 이미 기계 학습 작업을 위해 TetraMem의 작동 칩을 사용하고 있습니다. 본 연구에서 설명하는 고온 버전은 이러한 기능을 기존 전자 장치가 작동할 수 없는 환경으로 확장하여 우주선이나 산업용 센서와 같은 장치가 현장에서 직접 데이터를 처리할 수 있게 해줍니다.

실험실 프로토타입에서 실제 기술까지

유망한 결과에도 불구하고 Yang은 실제 적용이 아직 멀었다고 강조합니다. 메모리는 전체 컴퓨팅 시스템의 한 부분일 뿐입니다. 고온 논리 회로도 개발하고 통합해야 합니다. 또한 현재 장치는 실험실 환경에서 매우 작은 규모로 수동으로 제작되었으므로 대규모 제조에는 시간이 걸립니다.

양씨는 “이것이 첫 번째 단계”라고 말했다. “아직 갈 길이 멀다. 하지만 논리적으로는 볼 수 있다. 이제 그것이 가능해진다. 누락된 구성 요소가 만들어졌다.”

제조 관점에서 볼 때 장치에 사용되는 두 가지 재료인 텅스텐과 산화 하프늄은 이미 반도체 생산에 널리 사용되고 있습니다. 그래핀은 최신 기술이지만 TSMC, 삼성 등 주요 기업에서 활발히 개발되고 있으며 연구 환경에서 이미 웨이퍼 규모로 생산되었습니다.

새로운 개척을 향한 한 걸음

이 작업은 USC가 주도하고 공군 과학 연구실과 공군 연구소의 지원을 받는 다대학 우수 센터인 극한 환경 하의 신경형 컴퓨팅 센터(Centre of Neuromorphic Computing under Extreme Environments)의 약자인 CONCRETE 센터를 통해 수행되었습니다. 주요 실험 작업은 오하이오 주 데이턴에 있는 AFRL 재료 연구소의 Sabyasachi Ganguli 박사 팀과 공동으로 수행되었으며, 이론적 분석에는 일본 구마모토 대학의 USC 연구원 및 협력자가 참여했습니다.

Yang의 경우 과학 하나 이상의 성과를 반영합니다.

그는 “우주 탐사가 이토록 현실적이고, 가깝고, 대규모였던 적은 없었다”고 말했다. “이 논문은 훨씬 더 크고 흥미로운 영역으로의 중요한 도약을 나타냅니다.”