전자공학과 이승현 교수, 차세대 하드웨어 플랫폼 개발
보안과 연산 동시 수행, 면적 효율도 개선

전자공학과 이승현 교수 연구팀이 데이터 감지, 저장, 암호화 기능을 하나의 칩에 통합한 다기능 모놀리식 3D 반도체 칩을 개발했다. 연구 결과는 재료 공학 분야의 세계적인 학술지 「Advanced Materials(IF=26.8)」에 2월 게재됐다.

인공지능과 사물인터넷 기술의 확산으로 데이터 처리량이 급격히 증가하며 기존 컴퓨팅 구조의 한계가 뚜렷해지고 있다. 기존 방식은 센서에서 수집된 방대한 데이터를 중앙 처리 장치로 전송하는 과정에서 병목 현상과 높은 전력 소모가 발생했다. 또한 데이터 이동 과정에서 정보가 노출되는 보안 위험도 컸다.

기존 문제의 해결 방법으로 인간의 뇌와 시각 신경계를 모사해 감지, 저장, 연산 기능을 효율적으로 결합한 뉴로모픽(Neuromorphic) 아키텍처가 대안으로 부상하고 있다. 사물인터넷 환경에서 보안 위협이 증가함에 따라 데이터를 안전하게 보호하면서도 에너지 효율을 높이는 차세대 하드웨어 기술이 주목받고 있다.

양자점과 3D 적층 기술로 성능과 보안성 동시 확보

이승현 교수 연구팀은 수직 저항 변화 메모리(VRRAM) 위에 산화물 반도체(IGZO) 기반 광트랜지스터를 적층하는 모놀리식 3D 통합 기술을 적용해 새로운 반도체 칩을 개발했다. 연구팀은 반도체 채널에 양자점(Quantum Dot)을 도입해 센서가 감지할 수 있는 빛의 영역을 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 크게 늘렸다. 이승현 교수는 “양자점과 메모리 소자가 작동하는 과정에서 발생하는 미세한 불규칙성을 보안 기술에 활용했다. 불규칙한 신호로 복제 불가능한 물리적 복제 방지 보안키를 생성해 강력한 하드웨어 보안 시스템을 구축했다”고 강조했다.

개발된 칩은 상단의 센서가 이미지를 감지하면, 하단 메모리 층에서 즉시 데이터를 처리한다. 이 과정에서 원본 데이터는 외부로 노출되지 않고, 핵심 정보만 담은 해시 코드 형태로 변환된다.

“3D 통합 반도체 기술 경쟁력 입증해”

연구팀은 3차원 구조의 삼진 내용 주소화 메모리(TCAM)를 활용해 암호화된 해시 코드를 해독 과정 없이 바로 검색하고 매칭할 수 있도록 만들었다. 이를 통해 기존 평면형 소자 대비 면적 효율은 9배, 에너지 효율은 6배 이상 향상됐다.

특히 암호화된 상태에서도 94% 이상의 높은 정확도로 데이터 유사성을 판별해, 보안성과 실용성을 동시에 입증했다. 이승현 교수는 “연산 자원이 제한적인 엣지(Edge) 환경에서도 개인 정보를 보호하면서 인공지능 기술을 활용할 가능성을 제시한다”고 설명했다.

국가 반도체 3D 통합 로드맵 위원으로 활동하고 있는 이승현 교수는 “AI·IoT 시대에는 에너지 효율과 보안을 동시에 만족시키는 하드웨어 기술이 핵심 경쟁력”이라며 “이번 연구를 통해 3D 통합 반도체와 보안 하드웨어 분야에서 한국의 기술력을 국제적으로 입증했다”고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단, 정보통신기획평가원, 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.