△보안-연산 재구성 가능한 TPFs-RRAM(열적 사전-형성된 필라멘트 저항변화메모리)의 개념도

 

열처리 기반 전도성 필라멘트 제어로 하드웨어 보안·인메모리 컴퓨팅을 하나의 RRAM 어레이에서 구현

저명 국제 학술지 Advanced Functional Materials 게재

 

고려대학교 세종캠퍼스(부총장 양지운) 지능형반도체공학과 김성준 교수·황성민 교수 연구팀이 하드웨어 보안(Physically Unclonable Function, PUF)과 인메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing)을 하나의 메모리 어레이에서 구현할 수 있는 차세대 저항성 메모리(Resistive Random Access Memory, RRAM) 기반 반도체 소자 기술을 개발했다.

 

이번 연구는 보안성과 연산 효율을 동시에 요구하는 차세대 엣지 AI 및 IoT 반도체 분야에서 의미가 크다. 기존 RRAM 기반 보안 소자는 소자 내부의 무작위성을 활용해 보안 키를 생성할 수 있지만, 전기적 형성 과정에서 발생하는 비가역적 손상으로 인해 동일한 어레이를 고정밀 연산 소자로 다시 활용하는 데 한계가 있었다. 반면 인메모리 컴퓨팅은 정확한 연산을 위해 소자 간 균일성과 정밀한 전도도 제어가 필요하기 때문에, 하드웨어 보안과 인메모리 컴퓨팅을 하나의 소자에서 구현하는 것은 어려운 과제로 여겨져 왔다.

 

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 기존의 전기적 형성 대신, 열처리를 통해 소자 내부의 산소 이동을 유도하고 전류가 흐르는 미세한 경로인 전도성 필라멘트를 형성하는 Thermally Pre-formed Filaments(TPFs)-RRAM 플랫폼을 제안했다. 특히 기존처럼 고전압으로 소자를 일부 파괴하여 구동시키는 방식이 아니라, 열역학적 반응을 이용해 소자의 기능을 손상 없이 자유롭게 재구성(Reconfigurable)하는 새로운 접근법을 제시했다.

 

이번 연구 성과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials(JCR 상위 4.2% 이내, IF 19.9)에 게재됐다. 특히 이번 논문은 고려대학교 지능형반도체공학과 권성빈·이태원 대학원생이 공동 제1저자로 참여하였으며, 하드웨어 보안과 인메모리 컴퓨팅을 하나의 RRAM 어레이에서 구현할 수 있는 차세대 보안 AI 하드웨어 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. (논문명: Thermally Pre-Formed Reconfigurable Resistive Random-Access Memory Crossbar Arrays: A Dual-Mode Platform for Robust Physically Unclonable Functions and In-Memory Computing (Advanced Functional Materials 2026, e76481)

 

연구팀은 RRAM 크로스포인트 어레이에서 PUF(보안 키) 응답을 생성하고, 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 무작위성 검증 시험인 NIST SP 800-22를 통과했다. PUF 동작 이후 초기화 과정을 통해 동일한 어레이를 재구성하고, 다중 전도도 상태를 정밀하게 제어해 인간 뇌의 시냅스 구조를 모방한 뉴로모픽 인메모리 컴퓨팅(Neuromorphic In-Memory Computing) 동작 가능성을 검증했다.

 

이번 성과는 RRAM의 무작위성을 단순한 소자 변동성이 아니라 하드웨어 보안을 위한 물리적 자원으로 활용하고, 이후 같은 소자를 인공지능 연산용 메모리 어레이로 전환할 수 있음을 보여준 결과다. 향후 스마트 기기 하드웨어 보안과 AI 연산을 동시에 처리해야 하는 자율주행 차량, 스마트홈, 웨어러블 등 차세대 온-디바이스 AI 및 AIoT 시스템 상용화에 중요한 기술적 토대가 될 것으로 기대하고 있다.

 

△(왼쪽부터) 고려대학교 세종캠퍼스 지능형반도체공학과 권성빈 석사과정, 이태원 석박통합과정, 김도형 석사과정, 황성민 교수, 김성준 교수

이번 연구에는 고려대학교 세종캠퍼스 지능형반도체공학과 권성빈(공동 제1저자)·이태원(공동 제1저자)·김도형(공동 저자) 학생이 참여하였으며, 같은 학과 김성준 교수, 황성민 교수가 교신저자로써 연구 지도 및 참여했다.

 

권성빈, 이태원 학생은 “RRAM 소자에서 발생하는 무작위성을 단순한 불안정성으로 보지 않고, 하드웨어 보안을 위한 물리적 자원으로 활용하고자 했다”며 “열처리 기반 전도성 필라멘트 제어를 통해 PUF 보안 키 생성 이후에도 동일한 어레이를 인메모리 컴퓨팅 소자로 재구성할 수 있음을 보였다는 점에서 의미가 크다”고 전했다.

 

연구를 지도한 김성준 교수와 황성민 교수는 “이번 연구는 차세대 엣지 디바이스가 요구하는 강력한 보안 인증과 고효율 AI 연산을 단일 하드웨어 플랫폼에서 구현할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며, “물리적 손상 없이 자유롭게 변환 가능한 이번 융합 플랫폼은 향후 안전하고 효율적인 지능형 하드웨어 상용화의 핵심 돌파구가 될 것”이라고 밝혔다.

 

한편, 본 연구는 대한민국정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP)의 대학ICT연구센터(ITRC) 지원사업(IIPT-2026-RS-2026-25520273), 교육부와 한국연구재단(NRF)의 기초과학연구사업(RS-2023-00248731)의 지원을 받아 수행되었다.