고체 상태 트랜스커패시터(Solid-state transcapacitor), 로직, 메모리 및 상호 연결을 위한 새로운 이득 소자

오늘날의 트랜지스터(transistor)는 로직(logic)과 메모리(memory) 모두의 전압 및 전하 규모를 결정합니다. AI 시스템이 메모리 에너지에 의해 제한된다는 점은 잘 알려져 있지만, 에너지의 지배적인 부분은 트랜지스터에 의해 전압과 전하 규모가 설정되는 칩 내부 상호 연결(intrachip interconnects)에서 소비됩니다. 트랜지스터의 에너지 스케일링(energy scaling) 과제는 높은 전류 밀도(current density), 높은 전류/임피던스 변조(current/impedance modulation)를 동시에 충족해야 하는 점과 전압을 낮출 수 없다는 점에 기인합니다. 따라서 전압과 전하 요구량을 낮추는 새로운 로직 소자는 로직 전력을 낮출 뿐만 아니라 메모리 액세스 전력을 낮추기 위해서도 우선순위 과제입니다. 본 연구에서는 저에너지 컴퓨팅을 위한 새로운 3단자(3-terminal) 로직 소자인 고체 상태 트랜스커패시터(solid-state transcapacitor, TCAP)를 제안합니다. TCAP는 채널의 전하-전압 관계를 제어하는 게이트(gate)에 의해 구현되는 고체 상태 변위 전류 변조기(displacement current modulator)입니다. 트랜지스터와 달리, TCAP는 소산성 수송 전류(dissipative transport current)를 제거하고, 볼츠만 전류 변조 한계(Boltzmann current modulation limit)에 얽매이지 않으며, 분극 응답(polarization response)과 접촉 저항(contact resistance)에 의해서만 제한되는 변위 전류(displacement currents)로 작동합니다. 따라서 TCAP 회로는 CMOS의 전압, 전류 밀도 및 전류 변조 한계를 동시에 극복할 수 있습니다. 우리는 게이트 제어 스트레서(gate-controlled stressor)가 전기 기계적 결합(electromechanical coupling)을 통해 극성 채널(polar channel)의 커패시턴스(capacitance)를 변조하는 압전 트랜스커패시터(piezoelectric transcapacitor)를 사용하여 고체 상태 TCAP를 설명합니다. 이 소자는 로직에 필수적인 반전(inversion)과 이득(gain)을 달성하며, 기능적으로 1T-1C 메모리 셀과 동일하여 고밀도 메모리를 가능하게 합니다. 전압 스케일링(voltage scaling), 커패시티브 에너지 회수(capacitive energy recovery), 그리고 극성 물질의 높은 분극 밀도(polarization densities)를 사용함으로써, TCAP 기반 로직은 궁극적으로 스케일링된 CMOS 소자와 유사한 지연 시간(delay)을 유지하면서 에너지 소비를 100배 낮출 수 있는 경로를 제공합니다. 이 접근 방식은 전기 역학(electro-mechanics)과 다강성(multiferroics)을 사용하여 트랜지스터의 한계를 넘어서는 저에너지 컴퓨팅을 위한 새로운 잠재적 경로를 제공합니다.