광계산의 약점은 좀처럼 겉으로 드러나지 않는다. 행렬 곱 자체는 놀라울 만큼 빠른데, 결과를 붙잡아 두지 못한다. 가중치를 전자 회로에서 가져오고 변환하고 다시 써 넣고, 전원이 꺼져도 남도록 유지해야 한다. 광전 변환이 한 번 돌 때마다 광학 단계가 아낀 지연과 전력이 깎여 나간다.
그래서 필요한 것이 광자 메모리스터, 곧 빛으로 쓰고 빛으로 읽으며 전류 없이 상태를 유지하는 소자다. 상변화 물질, 자기광학 매질, 강유전 박막, 전하 포획층 등 후보는 많았다. 다만 거의 모두가 같은 난관을 공유한다. 도파로 플랫폼 위에 따로 붙여야 한다는 점이다.
붙인다는 건 증착 공정이 한 단계, 접합이나 전사가 한 단계, 계면이 하나씩 늘어난다는 뜻이다. 계면이 늘면 손실이 커지고 수율이 떨어지며 장기 드리프트도 예측하기 어려워진다. 더 곤란한 건 표준 CMOS 라인과 잘 맞지 않아 실험실에서 멋지게 동작하는 소자가 웨이퍼 단위에서는 재현되지 않는다는 사실이다. 막힌 곳은 물리보다 공정 호환성이다.
박막 니오브산 리튬, 곧 TFLN은 정반대 자리에 있다. 전기광학 계수가 크고 투명 창이 넓으며 전파 손실이 작고, 변조기는 이미 CMOS 호환 전압으로 동작한다. 웨이퍼급 제조도 자리 잡았다. 빠진 것은 본래의 비휘발 광메모리뿐이다. 기반은 훌륭한데 기억이 없다.
이번 연구진은 아무것도 붙이지 않았다. 두께 900나노미터의 z컷 TFLN 마이크로링에 500 keV 산소 이온을 제곱센티미터당 8×10¹³개, 표면 법선에서 7° 기울여 주입했다. 기울임은 채널링을 억제하기 위해서고, 선량은 개질에는 충분하되 통신 C밴드 흡수를 올리지 않는 좁은 창에 맞췄다. 실제로 Q값은 9.47×10⁵에서 9.01×10⁵로, 전파 손실은 0.408에서 0.455 dB/cm로 아주 조금만 움직였다.
핵심은 층이 갈라지는 것이다. 깊이 분해 XPS에서 400나노미터 지점에는 530.3 eV 격자 산소 피크만 보이고, 500나노미터 아래로 내려가야 531.9 eV 도판트 산소 피크가 나타난다. 반면 니오븀 스펙트럼은 전 구간에서 Nb⁵⁺와 Nb⁴⁺를 함께 담고 있고, 후자는 원자 변위 결함에서 온다. 결함층이 얕고 도판트층이 깊어 공간적으로 떨어져 있다. 라만에서는 585 cm⁻¹ 모드 위치가 그대로여서 격자 골격이 무너지지 않았음도 확인됐다.
두 파장이 역할을 나눠 맡는다. 450나노미터 빛이 산소 도판트 자리에서 전자를 끌어내고 정공을 남긴다. 전자는 니오븀 관련 결함에 잡히고 전하 분리가 내부 전계를 만들며, 니오브산 리튬 자체의 전기광학 효과로 굴절률을 바꾼다. 공진 피크는 약 0.155나노미터 적색 이동한 뒤 그대로 머문다. 1064나노미터를 비추면 재결합으로 내부 전계가 사라지고 약 −0.162나노미터 청색 이동해 돌아온다. 유효 굴절률 변화는 ±2.4×10⁻⁴ 정도다.
펨토초 과도 흡수는 메커니즘을 더 잘게 쪼갠다. 0.19피코초에서 2.54, 1.59, 1.14 eV 세 흡수 띠가 나타나 각각 정공 폴라론, 속박 폴라론, 자유 폴라론에 대응한다. 빠른 재결합 통로는 약 100펨토초에 닫히고 느린 통로가 긴 평탄부에 자리 잡는데, 바로 이 평탄부가 비휘발성을 떠받친다. 저자들은 속도의 상한을 광 펄스가 아니라 격자 안 폴라론의 생성과 감쇠가 정한다고 보며, 아직 더 빨라질 여지가 있다고 말한다.
대조 실험이 아주 담백하다. 주입하지 않은 TFLN 마이크로링에 같은 빛을 쪼여도 메모리 스위칭은 전혀 일어나지 않는다. 이 한 줄이 기능이 주입에서 생겼다는 점과 소자 본래의 드리프트를 갈라 놓고, 논쟁의 상당 부분을 미리 정리해 버린다.
성능은 구체적인 숫자로 떨어진다. 구분 가능한 비휘발 상태가 여덟 개, 곧 3비트. 20마이크로초 펄스로 안정적으로 기록되고 800나노초급에서도 반응한다. 상태마다 100회 쓰기·지우기를 돌려도 굴절률 변화와 펄스 수의 선형성은 R² 99.1%와 99.2%. 한 칩 위에 만든 10×28 배열도 프로그래밍과 소거 거동이 고르게 맞았다.
논문에는 스위칭 에너지가 74 fJ와 525 fJ 두 개 함께 실려 있다. 작은 쪽은 인접 준위 판별을 2배 기준으로 잡은 값이고, 큰 쪽은 5배 여유를 두고 최소 간격을 1.5%로 설정한 값이다. 장치를 만드는 쪽이 기억해야 할 숫자는 525 fJ일 것이다. 메모리 소자의 가치는 가장 느슨한 기준에서 얼마나 적게 쓰는가가 아니라, 실제 제조 잡음 속에서 여덟 상태를 계속 구분할 수 있느냐로 정해진다.
유지 특성도 한 번 외부의 의심을 받았다. 100시간 곡선 하나로 십 년을 외삽하는 건 심사자가 찌를 만한 지점이라, 연구진은 5주 간격 재측정과 발열 소자 곁을 가정한 55℃·85℃ 검증을 덧붙였다. 그래도 상태는 100시간 이상 버텼고 10⁶회 반복 뒤에도 뚜렷한 열화가 없었다. 레이저 옆에 붙을 부품에게는 상온의 깔끔한 선 한 개보다 이 보완 실험이 훨씬 설득력 있다.
기억을 같은 칩에 올리는 것은 부품 목록 이상의 의미를 갖는다. 공진점이 비휘발로 특정 파장에 고정되고 전원이 빠져도 사라지지 않는 성질은, 대규모 광자 행렬이 정적 설정에 요구하는 것과 정확히 맞닿는다. TFLN에는 변조기와 비선형 소자와 저손실 도파로가 이미 있다. 다른 재료 체계와 이어 붙일 필요가 없어진 셈이다. 논문이 대규모 광자 신경망으로 가는 균질한 경로라고 부를 때 힘이 실리는 말은 균질이다.
아직 못 한 부분도 마찬가지로 분명하다. 특성 평가는 낱개 소자에 그쳤고 완전한 전광 인메모리 연산 망은 만들지 않았다. 전광 동작에서는 전자 메모리의 성숙한 셀 어드레싱 구조를 그대로 쓸 수 없고, 450나노미터 기록광을 배열의 각 셀에 어떻게 보낼지는 실질적인 패키징 과제다. 1.5% 인접 간격은 대규모 배열의 균일성에 꽤 높은 요구를 건넨다. 기억이라는 한 고리를 메운 건 큰 걸음이지만, 결승선이라기보다 입장권에 가깝다.
댓글