23ZB1300, Proprietary basic research on computing technology for the disruptive innovation of computational performance,
Ju Jung Jin
Abstract
□ 과제수행 목표 및 내용 ◎ 최종 목표 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 동일 footprint 상에 p-형과 n-형 FET의 삼차원 혼합 구성을 통한 고집적형 듀플렉스 신소자 원천기술 개발 및 IP 확보 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 64 큐비트급 포토닉스 양자 인공지능 머신 HW/SW 통합 시스템 개발
◎ 전체 내용 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 수직으로 혼합 적층된 p-FET과 n-FET, 그리고 이들의 전극 터미널이 효율적으로 구성된 신구조의 듀플렉스 반도체 아키텍처(소재/공정/소자 全 분야) 개발 및 로직 검증 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 양자 (비)가우시안 프로세스 이론모델, 양자 비가우시안성(non-gaussianity) 구현 및 정량화 방법론 연구, 단위소자 설계 및 단위소자 공정 및 측정을 통한 기본 성능구현
◎ 1단계 ● 목표 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 듀플렉스 핵심 요소 공정개발 - 듀플렉스 반도체를 구성하는 n-FET 및 p-FET 개별 소자의 동작 특성 확보 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 16 큐비트급 포토닉스 양자 인공지능 머신 핵심기술 개발
● 내용 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 초격자(superlattice) 나노시트 채널 적층 기술 개발 - 나노시트 채널용 SiGe 희생층 선택적 식각 기술 개발 - 적층 채널의 적용을 위한 소스/드레인 오믹 형성 기술 개발 - 적층된 n-FET과 p-FET 소자의 전기 절연 소재 및 공정 개발 - 고품위 듀플렉스 반도체용 에피 기반 다층 채널 공정 개발 - n-FET과 p-FET 동작 전압 확보를 위한 WFM (work function metal) 개발 - 듀플렉스 채널 및 게이트용 고품위 ALD / ALE 공정 개발 - n-FET 및 p-FET 개별 소자의 동작 특성 확보 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 양자(중첩)데이터의 다중모드 조임광원 인코딩/디코딩 기술개발 (조임상태 모드수: 16, 조임정도(squeezing): 2, GBS 양자신뢰도: 99% 이상) - 양자 비가우시안 광학계 연산을 통한 양자학습이득을 증명하고 이를 구현 (비가우시안 연산 종류: 2종) - 압축상태 생성, 큐비트 인코딩, 얽힘 다중화, 호모다인 측정 - 비선형 광집적회로 칩 연구, 시간-경로 얽힘 다중화 소자 연구 - 큐비트 구현 방법 연구, GKP/Cat code 인코딩, 양자 인공지능 알고리즘 연구 - CV 양자 프로세서 이론모델 및 gaussian boson sampling 연구 - Chip 제어 DACs 시스템 콘트롤러 활용 16 큐비트급 광집적회로 GBS 구현
◎ 2단계 ● 목표 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 신구조의 듀플렉스 반도체 아키텍처 개발 및 로직 검증 - p-형과 n-형 FET의 삼차원 혼합 구성을 통한 고집적형 듀플렉스 신소자 원천기술 개발 및 IP 확보 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 64 큐비트급 포토닉스 양자 인공지능 머신 SW/HW 통합 시스템 ‧ 양자조임광원 생성 모드 수 : 64 이상 ‧ 양자조임광원 얽힘정도 : Squeezing 파라미터 값 3.5 이상 ‧ 비가우시안 연산 종류(개수) : 3 이상 ‧ CVQONN 성능 : 고전NN 대비 20% 이상 성능향상 ‧ GBS 양자신뢰도(fidelity) : 99.7 이상
● 내용 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 총 4채널 이상의 듀플렉스 반도체 소자 구조 및 공정 기술 개발 - n-FET, p-FET이 혼합 적층된 듀플렉스 소자의 전압 전달 및 출력 특성 확보 - 듀플렉스 반도체로 구현한 3종 이상의 로직 게이트 제작 및 동작 특성 검증 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - 다중모드(64모드 급)의 양자조임광원(squeezed state) 생성기술 개발 - 다중모드 연속변수 조임광원 인코딩/디코딩 기술 개발 - 조임광원 각 모드에서 선별적으로 광자를 가감하는 기술 연구 - 비 가우시안성(non-gausianity) 포함 단층 양자퍼셉트론 구현 연구 - 다중모드 연속변수 양자광학계 기반 양자인공신경망 프로세서 개발
◎ 당해 연도 ● 목표 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 듀플렉스 반도체의 삼차원 최적 구조 설계 및 기능 영역별 신소재 단위 공정 개발 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - CV(continuos variable, 연속변수) 기반 양자 인공지능 프로세서 구현을 위한 핵심 기반기술 연구
● 내용 [1세세부: 듀플렉스 반도체] - 전계효과 기반의 p-FET과 n-FET이 삼차원으로 혼합 구성되는 듀플렉스 신소자 구조 설계 - 듀플렉스 소자의 기능 영역별 형상 및 소재 변화에 따른 성능 특성 예측 분석 - 나노스케일 다층 채널 구현을 위한 hetero-epitaxy 성장 기술 개발 - 다중금속 기반의 게이트 전극 신소재 탐색 및 단위 공정 개발 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] - CV 조임(Squeezed) 양자상태 생성소자 설계 및 공정기술 연구 - CV 큐비트 인코딩 및 양자인공신경망 이론모델 연구 - CV 양자상태 제어소자 광집적회로 설계 및 공정기술 연구 - 포톤 수 분해능 단일광자 검출기 측정시스템 구축
□ 과제 수행과정 및 내용 [1세세부: 듀플렉스 반도체] ㅇ 과제 수행과정 반도체 분야에서 큰 임팩트를 가지나, 아직 전세계적으로 초창기인 적층형 n-FET/p-FET소자의 분야에서, 종합적인 반도체 R&D 환경을 (연구인력, 반도체 팹, 초격자 기술, 디바이스 기술, 측정 분석 시스템, PDK 등의 설계자원) 갖춘 ETRI는 듀플렉스 반도체의 핵심이 되는 초격자 채널 적층 기술, 적층 채널 구조용 소스/드레인 오믹 기술, 균일 초박막 형성 기술 (ALD), 그리고 듀플렉스 반도체 제작 공정 및 소자 원천기술을 개발을 추진함. 동시에듀플렉스 반도체 소자 모델 개발 및 성능 최적화, 그리고 WFM (workfunction metal) 증착 및 식각 기술(ALD/ALE), CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정 기술과 같이 고도의 전문성과 다양한 접근이 필요한 소재 공정 분야에 대해 보조적으로 대학과의 협력 연구를 추진함 ㅇ 과제 수행내용 - 전계효과 기반의 p-FET과 n-FET이 삼차원으로 혼합 구성되는 듀플렉스 신소자 구조 설계 - 듀플렉스 소자의 기능 영역별 형상 및 소재 변화에 따른 성능 특성 예측 분석 - 나노스케일 다층 채널 구현을 위한 hetero-epitaxy 성장 기술 개발 - 듀플렉스 핵심 요소 공정개발 : Chemical Mechanical Polishing - 듀플렉스 핵심 요소 공정개발 : 적층 소자 절연 기술 - 듀플렉스 핵심 요소 공정개발 : Selective etching - 듀플렉스 핵심 요소 공정개발 : E-Beam Lithography - 다중금속 기반의 게이트 전극 신소재 탐색 및 단위 공정 개발 - 게이트 구조에 활용될 WFM 관련 소재 개발 및 특성 분석(한양대 위탁과제) - 정량목표 달성 : 국내특허 출원 1건, 국제특허 출원 1건, 등록 기술문서 5건 이상 [2세세부: 포토닉스 양자 인공지능 머신] ㅇ 과제 수행과정 - CV 양자정보처리를 위한 연산은 가우시안 프로세스와 비가우시안 프로세스로 나눌 수 있고, 일반적으로 가우시안 프로세스는 고전 프로세스로 구현 가능하므로, 양자정보처리에서 양자이득을 실현하기 위해서는 비가우시안 프로세스의 개발 및 활용방안에 대한 연구가 필요하여 양자 비가우시안성(non-gaussianity) 구현 및 정량화 방법론 연구를 수행하였음 - 또한 비가우시안 프로세스의 개발과 더불어, 개발된 프로세스의 비가우시안성 정도와 활용 가능성 등에 대한 분석이 필요하여, 평가된 비가우시안성에 따른 양자이득 정도에 대한 분석연구가 양자인공신경망 개발 전 과정에서 수행되어야 해서 관련 양자이론 연구를 수행하였음 - 연속변수 양자광학계 기반 양자정보처리 구현을 위한 핵심 기술인 단일모드 양자압축광원(squeezed light) 생성 기술 개발을 위해 2차 비선형 특성이 우수한 LiNbO3 광 집적회로 개발 및 효율적 생성을 위한 유사위상정합을 구현하기 위한 주기분극 폴링 기술을 개발하였음 - CV 양자정보처리에서 출력 및 위상공간에의 (비고전)확률분포 등의 분석을 위한 대표적인 양자측정으로서 양자호모다인 측정 시스템 구축을 추진하였음 - 1차년도 과제 성과 목표는 연속변수(Continuout variable; CV) 양자정보처리 기반이론 연구 및 연속변수 양자광학계 구현 기반기술 개발로 소자설계 및 단위소자 구현에 중점을 두고 연구개발을 수행하였음 ㅇ 과제 수행내용 - 양자 (비)가우시안 프로세스 개발을 위한 양자가변회로(Quantum parametric circuist; PQCs)의 가변파라미터 구성방식이 얼마나 효율적이냐에 따라 양자이득(↔ 비가우시안성) 구현 및 정량화 방향이 결정되므로 본 연구에서는 KAK 분해를 연속적으로 적용하여 SU(2)에 대한 오일러 각도를 일반화하는 특수 단일그룹 SU(2n)의 가변파라미터를 제시함 : SCI논문 투고완료/심사중(arXiv:2304.14624) - PQCs 기반 비가우시안성을 활용한 양자이득을 극대화하기 위해 가변파라미터 생성/초기화/최적화 프로세스를 개발을 진행함 - 양자 비가우시안성(non-gaussianity) 구현 및 정량화 방법론 연구에서는 국소측정을 통한 엔트로피 분석 및 이를 이용한 양자비가우시안성 정량화 연구 수행함 - 단일모드 양자압축광원의 광집적회로 구현 기술 연구 수행 - 저손실 LiNbO3 광집적회로 개발 성능평가를 위해 고품위 공진기 설계 및 제작 기술 개발 및 특성 평가 수행 - 압착의 수준이 높은 양자광원 소자 제작을 위해 높은 비선형성 획득을 위한 주기분극 구조 형성 기술 개발 - 연속변수 양자상태를 측정하기 위한 양자호모다인 검출 기술을 구현하기 위해 양자호모다인 측정모듈 구현 및 성능 검증 수행 - 양자 가우시안 프로세스(BS, Displacement 등) 구현기술로 CW 레이저의 측대파 (sideband)에서 양자 가우시안 프로세스를 구현하여 양자상태를 제어하는 기술 연구
□ 과제 수행결과 및 목표달성도 ㅇ 과제 수행결과 ㅇ 과제 수행 목표달성도 가. 과제 수행 목표달성도 (기술개발 성과지표) 나. 공통지표
□ 관련 분야에 대한 기여 ㅇ 관련 분야 과학적·기술적·경제적·사회적 기여 ◇ 과학적 - 채널 적층형 듀플렉스 FET은 동작 속도, 동작 전류 등 성능 면에서 기존 Fin-FET보다 우수하며 GAA FET과는 비슷하면서도 상대적으로 훨씬 적은 면적을 차지하는 장점으로 인해 기존 트랜지스터를 대체할 가능성이 큼. - 연속변수 양자광학 인공지능 프로세서 구현을 위한 이론모델 및 소자제작 기반 기술 구축 ◇ 기술적 - 본 과제의 개발 목표인 채널 적층형 GAA기반 듀플렉스 FET 개발은 판상 채널을 상하좌우에서 게이트가 감싸는 형태로서 Fin-FET에 비해 단채널 효과 방지와 누설전류 제어가 용이하고 채널의 폭과 채널 수를 비교적 자유롭게 변화시켜 동작 전류 확보가 쉬운 장점이 있어 Fin-FET을 완벽히 대신할 수 있는 소자임. 또한 본과제는 현재 삼성, TSMC 등에서 상용화를 시작하는 GAA FET의 차세대 버전으로, 전 세계 반도체 로드맵에서 선도적이고 새로운 길을 닦는 기반 기술로 활용될 수 있음 - 광 기반 양자광학 프로세서가 다른 양자컴퓨팅 플랫폼 대비 인공지능 분야 성능 우위를 보이고 있어, 향후 효용성 높은 양자인공지능 활용 사례의 개발 가능성이 높음 ◇ 경제적 과제 수행 1년차로, 앞으로의 수행과정에서 경제적 효과를 제시할 수 있음. ◇ 사회적 - 반도체가 근간이 되는 ICT와 인공지능 전반에 새로운 동력을 제공 - 컴퓨팅 성능과 에너지 효율을 높일 수 있어 차세대 산업혁신의 핵심 제품과 서비스에 기여 - 인공지능, ICT 서비스의 향상과 새로운 서비스의 출현으로 사회 전반의 새로운 패러다임 변화에 일조 - 차세대 핵심 제품과 서비스 창출에 기여하여, 더 편리하고 안전한 사회를 만드는 데 일조 - 인공지능기술과 양자기술을 융합한 양자 인공지능 프로세서 국내 최초 개발로 광 기반 양자 인공지능 프로세서 활용 사례를 적극 발굴하여 양자컴퓨팅의 실질적 활용도 제고
ㅇ 후속 과제에 도움을 줄 수 있는 연구 결과 - 본 과제를 통해 수행되는 퀀텀 효과를 반영한 TCAD 시뮬레이션 과정은 향후 ETRI에서의 초미세 반도체 기술 연구 개발에 필요한 디바이스 특성 분석과 설계에 활용 가능함. - 본 과제를 통해 수행되는 다양한 듀플렉스 제작 공정 개발은, 향후 ETRI에서의 반도체 기술 연구 개발에 기반 기술이 될 수 있음. - 주기분극 LiNbO3 광도파로 소자 설계, 칩 공정, 특성 평가 기반구축 완료 - 광학 table 실험신 수준의 연속변수 양자상태 측정모듈 설계, 제작, 특성평가 완료 - 양자 프로세서 구현 성능 확인에 필요한 단일광자 측정 시스템 구축
□ 성과관리 및 활용계획 ㅇ 성과관리 현황 - 듀플렉스 반도체 및 광집적회로 양자 소자의 핵심 공정 실험 후 SEM/TEM 물성 분석 및 소자 특성 측정/분석을 통해 연구데이터를 생산하고, 소자 설계 및 process flow sheet를 통한 소자 제작 공정 및 특성평가 전반에 걸친 연구 데이터 수집/생산 - 본 과제에서 발생하는 모든 연구데이터는 PDF 형태로 변환 후 연구데이터 관리책임자가 취합하여 보관하며, 기술문서의 형태로 한국전자통신연구원 내부 공개시스템에 장기적으로 보존 - 백업은 매월 연구데이터 관리책임자에 의해 진행
ㅇ 성과활용 계획 - (기술적) ‧ 듀플렉스 적층 구조는 기존 칩의 크기에서 더 많은 연산과 기능 구현을 위한 반도체 칩의 제작을 가능하게 하여, 기술적으로 새로운 가능성을 창출할 수 있을 것으로 기대됨. 이러한 점은 특히, AP를 비롯한 CPU, GPU 등의 process IC 분야, 인공지능 칩 분야에서 그 유용성이 클 것으로 예측됨 ‧ 연속변수 양자광학 프로세서는 국내 최초 개발을 진행하는 과제로 칩 제작 인프라를 ETRI가 구축하고, 개방형 활용을 통해 산‧학‧연 기술지원이 가능 - (경제적, 산업적 측면) 대표 산업인 반도체는 국가 예산의 1/4 수준의 매출을 기록하고 있고 방대한 관련 산업군까지 고려한다면 사회적 영향력이 매우 큰 산업임. 또한 인공지능 및 정보통신 대부분이 반도체 기술에 의존하고 있어 GAA 소자 같은 고성능 반도체 기술 개발은 국가 경쟁력과 현대 사회의 기술적 기반을 한 차원 높이 다지는 효과가 있음 - (사회적 측면) 1) 본 기술의 개발은 반도체가 근간이 되는 ICT와 인공지능 전반에 새로운 동력을 제공할 수 있고, 컴퓨팅 성능과 에너지 효율을 높일 수 있어 모바일, 에지 컴퓨팅, 영상인식, 자율주행, IoT, 스마트팩토리 등 차세대 산업혁신의 핵심 제품과 서비스에 대한 사회적 파급효과가 매우 클 것으로 전망됨. 2) 인공지능을 포함한 ICT 칩의 저비용/고효율화를 가능케 하며 이는 인공지능, ICT 서비스의 향상과 새로운 서비스의 출현으로 사회 전반의 새로운 패러다임 전환을 가져올 것으로 기대됨 3) 모바일, 에지 컴퓨팅, 영상인식, 자율주행, IoT, 스마트 팩토리 등 차세대 산업의 핵심 제품과 서비스 창출에 기여하여, 더 편리하고 안전한 사회를 만드는 데 일조할 것으로 기대됨 4) 고전 AI 기술 대비 우월성을 양자 AI 알고리즘 확보를 통해 실제 문제에 적용 가능한 양자 AI 시스템 및 양자 컴퓨터 시스템 개발 토대 마련 5) 자동차/항공/우주 : 양자컴퓨터를 활용하여 복잡한 기류 흐름 분석 및 최적화를 통해 자동차/항공기 유체 시뮬레이션 등에 기여 6) 보안: 연속 변수 양자광학 기술의 양자 키 분배 기술 적용으로 국가안보에 기여하고 사이버 공격으로 발생할 수 있는 잠재적 피해를 미연에 방지
□ 향후 과제 수행계획 1) 다음 연도 연구개발계획 ① 듀플렉스 적용을 위한 n-FET, p-FET 개별 소자 제작 - 듀플렉스 반도체용 n-FET 및 p-FET 개별 트랜지스터 개발 - 적층형 나노시트 채널 구조 및 전극 공정의 CMOS 정합성 검증 ② 핵심 요소 공정 개발 (II) - 다중금속 기반의 WFM 적용을 위한 전기 절연 공정 개발 (SOC 외) - STI 형성과 RMG (replacement metal gate) 공정을 위한 맞춤형 CMP 공정 개발 - 균일한 inner 및 outer spacer 구현을 위한 ALD 공정 개발 ③ 게이트/전극용 신물질 공정 - 다중금속 WFM 소재 기반의 전극 터미널 요소 공정 개발 - 듀플렉스 게이트/전극 구현용 inner 및 outer spacer 구조물 공정 개발 ④ 연속변수 양자광학계 기반 양자인공뉴런 및 양자단층퍼셉트론 기본모형 개발 - 인공뉴런 및 단일퍼셉트론의 연속변수 양자광학시스템 기반 확장모델 연구/개발 - 양자 단일퍼셉트론 기본요소(입출력, 연결강도, 활성화) 정의 - 개발된 양자 단일퍼셉트론의 Universal Approximation Theorem (혹은 시벤코 정리) 증명 ⑤ 연속변수 양자광학계 기반 양자뉴런 및 양자단층퍼셉트론의 실험구현 - 단일/두 모드 조임상태(squeezed state) 생성기술 - 단일광자 가감(addition/substraction)연산 및 비가우시안 연산 구현기술 - 호모다인 측정 모듈 개발
2) 국내외 분야 환경변화 - 글로벌 기업인 삼성전자 반도체 부문에서, IEDM 2023학회를 통해, n-FET/p-FET적층형 소자의 기술개발이 진행 되고 있음을 발표하는 등, 본 기술에 대한 전 세계적 관심이 높아지고 있음. - 고전 인공지능 기술의 활성화와 더불어 양자 인공지능의 활용 가능성에 대한 기대가 높아지고 있고, 양자인공지능 알고리즘의 효용성 검증을 위한 실험적 구현 연구가 활성화 되고 있음
3) 연구개발 추진전략 - 종합적인 반도체 R&D 환경을 (연구인력, 반도체 팹, 초격자 기술, 디바이스 기술, 측정 분석 시스템, PDK 등의 설계자원) 갖춘 ETRI는 듀플렉스 반도체의 핵심이 되는 초격자 채널 적층 기술, 적층 채널 구조용 소스/드레인 오믹 기술, 균일 초박막 형성 기술 (ALD), 그리고 듀플렉스 반도체 제작 공정 및 소자 원천기술을 개발을 추진함. 동시에 듀플렉스 반도체 소자 모델 개발 및 성능 최적화, 그리고 WFM (workfunction metal) 증착 기술, STI, CMP 공정 기술과 같이 고도의 전문성과 다양한 접근이 필요한 소재 공정 분야에 대해 대학 및 외부 연구기관과의 협력 연구를 추진함 - 국내외 전문가 그룹과의 기술 교류(세미나/워크샵) 활동을 추진하여 관련 분야에 소재, 공정, 소자 및 설계 측면에서의 당면 기술 이슈에 관한 솔루션 탐색과 연구 네트워크 구축도 병행하여 추진함 - 연속변수 양자정보처리 기반 이론연구는 ETRI와 Xanadu가 협력연구를 통해 효과적인 이론모델 구축 - 연속변수 연속변수 양자광학계 구현 기반 원천기술 개발은 ETRI와 KAIST가 각 각 연속변수 양자압축광원 기술 개발과 연속변수 양자상태 제어 및 측정 기술 개발을 분담하여 수행함
4) 연구개발 일정 및 기대 성과 - 연구개발 일정 - 기대성과 ‧ 개별 GAA n-FET/p-FET 제작을 통한 듀플렉스 반도체 제조의 기반 기술 확보 ‧ 듀플렉스 반도체 제작을 위한 요소기술 확보 ‧ SOC 절연 기술, CMP 공정기술, ALD 증착기술,다중금속 WFM 기반 전극 공정기술, ‧ 실제 process를 반영한 TCAD 시뮬레이션 등 ‧ 압착 상태 생성 및 조작을 위한 양자 칩 및 모듈 기술은 연속 변수 양자 광학 시스템의 핵심 기술 확보 ‧ 양자 AI 알고리즘 개발 및 적용 분야 탐색 ‧ 연속변수 기반 양자광학 원천기술 확보를 통한 기술 선진국과의 기술 격차 극복, 기술종속성 탈피 및 글로벌 시장 경쟁력 확보
5) 다음 연차 연구개발비 사용계획 - 본 과제의 수행에 초미세 구조 형성 및 식각을 위한 원자단위 물질 제어 기술이 필요하여 이를 위한 ALD(Atomic Layer Deposition)/ALE(Atomic LayerEtch) 장비가 필수적임. 따라서 2차년도에는 이들 장비의 구축을 위한 연구비(약 7억9천만원)가 23년도 국가연구장비도입심의위원회의 사전심의를 통과하였기에 관련 절차를 통해 집행 예정임 - 양자광학 특성의 고속 측정을 위한 network analyzer, 파장가변 레이저 등 장비 구매(5.6억원)과 해외용역연구(1.5억원), 국내위탁(1.5억원)연구를 추진할 예정
6) 사업화 추진 계획 (해당시 작성)
(출처 : 요약문 2p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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