미래의 반도체, 레이스트랙 메모리
- 편집팀
- 2월 16일
- 4분 분량
기록의 가치
선사시대 이후, 인간은 글로써 원하는 내용을 기록하고, 후대에 남기기 시작했다. 시간이 지나 변질되는 기억과는 달리, 기록은 시간이 지나도 변하지 않기 때문에 굉장히 큰 가치를 지닌다. 삼국유서, 조선실록지리지가 크나큰 가치를 지니는 것도 이 때문이다. 이렇게 기록이란 것은 현재 뿐만 아니라, 미래에도 굉장히 중요한 것이기에 무엇을 기록하느냐 뿐만 아니라 “어떻게” 기록하느냐 또한 굉장히 중요한 대목이다. 금속활자, 인쇄기 등 다양한 방법들이 개발되며 기록의 효율성을 높였고, 현대에는 하드디스크를 이용하여 기록을 저장한다.
자석이란?
하드디스크와 레이스트랙 메모리 등 정보를 저장하는 장치는 기본적으로 자석을 이용한다. 따라서, 그 원리를 이해하기 앞서, 자석에 대해 잘 이해하고 있는지 한번쯤 짚고 넘어갈 필요가 있다. 자석이란, 간단히 말하자면, N극과 S극을 가진 물체를 의미한다. 이 N극과 S극이라는 것은 어디서 기원 한 것일까? 다들 초등학교에서 들어 본 적 있겠지만, 자석을 둘로 나눠도 S극, N극으로 나누어 지지 않고, N,S극이 각각 존재한다. 따라서 이렇게 자석을 자르는 과정을 반복하게 되면 결국 원자가 되며, 이 원자도 S극, N극을 가지게 된다. 자기장과 전류의 관계를 생각 해 주면, 전자의 자전과 원자핵 주변에서의 공전이 그 원인이 된다는 것을 알 수 있다. 원자들이 모였을 때, 그 원자들의 스핀이 같은 방향으로 정렬되면 이를 강자성체라고 부르며, 자석이 되는 것이다. 그러나, 모든 강자성체가 바로 자석이 되지는 않는다. 우리 주변에 매우 흔한 철 또한 강자성체이나 모든 철이 다 자석이 아닌 것처럼 말이다. 그 이유는, 철 원자들이 모였을 때, 모두 같은 방향으로 정렬되는 것이 아니라, 같은 지역에 있는 원자들끼리 정렬하여 지역마다 다른 정렬 방향을 가지게 되어 총합으로 보았을 때에는 극이 존재하지 않는 것이다. 이렇게 스핀이 정렬된 지역을 자구라고 부르며, 그 자구 사이의 막을 자구벽이라고 부른다.
하드 디스크의 원리
하드디스크란, 비휘발성, 순차접근이 가능한 보조기억 장치를 의미한다. 즉, 컴퓨터의 정보를 하드디스크에 저장한다는 것이다. 그 원리에 대해 설명하자면, 빠르게 돌아가는 원형 판 위에 탐침이 있어, 원형판의 자성을 조작한다. 하드디스크에 정보를 저장 할 때에는, 탐침에 있는 코일의 전류의 방향을 바꾸어 주며, 원형판의 각 부분의 자성의 방향을 바꾸어 주어 위,아래라는 두가지 상태를 이용해서 정보를 저장하는 것 이다. (컴퓨터의 0과 1로된 정보와 같다.) 그렇다면 정보를 읽을 때에는 어떻게 해 줄까? 그를 위해서는 원형 판의 자석의 방향을 읽어 줄 방법이 필요한데, 이는 “거대 자기 저항 효과”를 통해 읽을 수 있었다. 거대 자기 저항 효과란, 특정 금속 구조에서, 외부자기장의 변화에 따라 저항의 크기가 크게 바뀌는 효과를 의미한다. 즉, 하드디스크에서, 원형판이 돌아가며 탐침 아래의 자기장이 변하게 되므로, 그때 변화하는 탐침의 저항 값에 따라서 하드디스크에 저장된 정보를 읽게 되는 것이다.
하드 디스크의 한계
하드 디스크의 원리를 이해하였다면 간단히 추론할 수 있듯이, 하드디스크는 그 구조상 명확한 한계가 존재한다, 우선, 데이터의 처리 속도에 있어서 한계를 가진다. 생각 해 보면, 특정 위치에 데이터를 저장하거나, 특정위치의 데이터를 읽으려면, 탐침이 그 데이터가 기록된 자석 위에 있어야 한다. 그를 위해선, 원판이 직접 돌아야 한다. 물론 원판이 1초에 120회정도로 매우 빠른 속도로 돌아가기는 하나, 아무리 빨라도 0.001초정도는 걸린다. 반도체(전류를 이용한 것)를 이용한 D램의 처리속도가 10억 분의 1초정도 인 것을 생각하면, 상당히 느린 속도이다. 또한, 하드디스크는 에너지를 상당히 많이 소모한다. 하드디스크의 원판을 회전시켜 주기 위해서는, 상당히 많은 에너지가 요구가 된다. 지금의 데이터 정도는 문제가 없지만, 4차 산업 혁명이 일어나 데이터의 저장량이 기하급수적으로 늘어가 곧 하드디스크로는 감당하기 힘들 지경이 될 것이다. 이러한 상황에서, 하드디스크의 단점을 해소할 해결책이 필요한 것이다.
새로운 정보 저장 방법
하드디스크의 경우에는 원판이 직접 회전하여 탐침이 정보를 읽게 되는 구조였다. 하지만 여기서 발상의 전환을 통해 다른 방법이 있지 않을까 생각해볼 수 있다. 그 방법은 바로 원판이 도는 것이 아닌, 원판에 있는 자석을 가져오는 것이다. 앞서 설명했듯, 자석의 방향이란, 결국 원자 속 전자의 스핀에 의해 생기는 것이다. 즉, 원자 속 전자의 스핀을 그대로 가져온다면, 원형판을 돌리지 않고도, 그와 같은 효과를 낼 수 있을 것이다. 정확히는, 앞서 설명한 “자구벽”의 이동을 통해 이러한 결과를 가져 올 수 있으며, 이러한 방식으로 정보를 저장하는 메모리가 바로 레이스트랙 메모리라는 것이다.
자구벽의 이동
앞서 자구를 설명한 것에서, 자구벽 주변에서 전자의 스핀의 방향이 바뀐다는 것을 알 수 있었다. 좀더 정확히 설명하자면, 자구벽 주변에서 전자의 스핀이 바뀔 때 (위에서 아래로 바뀐다고 생각하자), 전자의 스핀 방향이 위에서 바로 아래가 되는 것이 아닌, 누워있는 구간이 존재하게 되는데, 이를 자구벽이라고 부르는 것이다. 자구벽을 이동시키는 방법은 다양하다. 전류를 걸어줄 수도 있고, 자기장을 걸어 줄 수도 있다. 하지만 그중 가장 대표적인 방법인 전류를 이용한 방법에 대해서만 설명해 보겠다.
전류를 통한 자구벽 이동은 spin-transfer torque를 이용하는 것이다. 자구란, 그 스핀을 가진 전자들 만이 있는 지역이므로 자구벽 근처에서 윗방향에서 아랫방향으로 변한다고 생각 해 보자. 그런 강자성체에서 전류를 흘러주게 된다면, 처음 출발한 전자의 스핀은 윗방향일 것이다. 그런데, 자구벽을 지남으로써, 그 전자의 스핀 방향이 누운 방향이 되어다가, 아랫방향으로 변하게 된다. 이과정에서 각운동량 보존에 대해 생각 해 보자. 총 각운동량은 보존이 되어야 하므로, 하나의 전자의 방향이 반대로 변했으면, 다른 부분에서도 그에 상응하는 만큼 스핀이 변해야 한다. 전자가 이동하는 과정을 생각 해 보았을 때, 그에 상응하는 과정은 자구벽에 있는 누워있던 스핀이 아랫방향으로 바뀌고, 아랫방향 스핀을 가진 전자의 스핀이 누워있게 되는 것이다. 그 형태의 변화를 잘 생각 해 보면, 결국은 전류를 흘려 주어서, 자구벽을 움직여 준 것이다!
간단히는, 축구 경기장에서 파도타기를 하는 사람들로 생각할 수 있다. 각각의 사람들에 중점을 두어 보면, 그저 일어났다가 올라가는 것이지만, 전체적인 흐름을 보면 거대한 무언가가 움직이는 것으로 보이는 것처럼, 자구벽의 이동 또한 각 전자들은 그저 스핀의 방향이 바뀌는 것 뿐이지만, 전체적으로 보았을 때에는 자구벽이 이동하는 것이 보이는 것이다.
레이스트랙 메모리
이런 식으로 하드디스크와 같은 원리이지만 움직이는 것을 바꾼다는 간단한 발상의 전환을 통해 고안된 메모리가 바로 레이스트랙 메모리인 것이다. 레이스트랙 메모리는 우선 역학적으로 원판을 돌리는 것이 아니라 전류를 조금씩만 가해 주어 정보를 저장하고, 읽는 데 사용되는 것이기에 간단히 생각 해 보아도 하드디스크보다 같은 정보를 처리 할 때 사용되는 에너지가 훨씬 작다는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 종류의 메모리는 형태에 제약이 없다. 하드 디스크의 경우에는, 원판을 돌려야 하기에 원판이라는 모양의 제약이 있지만, 레이스트랙 메모리에서는 자구벽이 움직이는 것이기에 어떤 형태로 되어있든 간에, 자구벽이 움직여 제 역할을 다할 수 있는 것이다. 따라서, 같은 부피에도 훨씬 더 큰 용량을 저장 할 수 있는 메모리가 만들어지는 것이다.
권호준 학생기자 | Physics | 지식더하기
참고자료
[1] 김갑진. (2023). 마법에서 과학으로: 자석과 스핀트로닉스. 이음.
첨부 이미지 출처
[1] https://spintronics.kaist.ac.kr
[2] https://encrypted-tbn0.gstatic.com/,
[3] https://docs.quantumatk.com/
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