이번에 리뷰할 논문은 15년 4월 말에 발행된 An ultra-compact and low power neuron based on SOI platform, 생체모사 디바이스입니다. 뇌과학 분야
신경세포인 뉴런의 연결, 시냅스를 모사한 저전력 소자, Neuromorphic device
뉴런(신경세포)은 서로 연결된 접합부인 시냅스에서 수상돌기(Dendrites)를 통해 신호를 받아 시간으로 적분하고, 이 값이 문턱값(threshold)을 넘으면 스파이크(Spike) 전압을 발생시킵니다.
cf. Dendrite : 생물학에선 뉴런의 수상돌기, 제 현업인 Logic BEOL에선 Cu 배선이 공기 중에 장시간 노출될 때 구리에서 용출되어 배선 간 short 불량을 유발하는 원인, 돌기 모양으로 석출되어 따온 용어인듯 합니다.
본 논문의 Neuromorphic device는 제가 주로 리뷰하고 있는 MOSFET이 아닌 NPN 트랜지스터(I-NPN 구조)입니다.
Turn on : (b) gate 전압이 걸리면 impact ionization으로 hole을 발생시키고, 이는 가운데 P-well에 저장되며 더 많은 impact ionization발생, 문턱값(Threshold)에 도달하면 200~400mV의 output 발생시킵니다.
평형상태 : (c) 시간이 지나 Jin = Jo이 되면 평형상태에 도달합니다.
Turn off : (d) gate 전압이 빠지면 저장된 hole에 의해 전자장벽이 낮아지고, 시간이 지나며 재결합되어 천천히 평형 회복하고 전자 장벽이 다시 증가합니다.
hole의 탈출 속도(Rate)를 조절하기 위해 MOS구조 P영역이 추가되었습니다.
입력 전압이 높을 수록 high frequency, high Voltage의 스파이크(Spike) 전압출력을 보여줍니다.
본 논문에서는 20nm Node로 면적 0.09μ㎡, 11.5nW 저전력 소자를 구현했고 output Spike voltage는 200~400mV
그러나 실제 뉴런은 100mV에 1~2ms의 지속시간을 가집니다. 즉, Vdd scaling이 더 필요한데 현재 산업의 기술력이 SRAM cell도 0.03μ㎡ 이하 수준이라 충분히 현실성이 있습니다만 위 I-NPN 소자의 구조 자체가 gate 없이 depletion을 형성해 impact ionization을 이용한 spike 형성 시 SCE(Short Channel Effect)에 취약한 구조는 추가 개선이 필요해보입니다.