국내 기술진, 인간 두뇌 본딴 차세대 컴퓨터칩 ‘뉴로모픽칩’ 개발

포항공대 이장식 교수팀, 차세대 뉴로모픽칩 개발
기억-연산 동시수행하는 인간두뇌의 뉴런-시냅스 모사
비정형 데이터 빠른 처리 필요한 AI, 자율차에 유용

포항공대 이장식 교수(신소재공학) 연구진이 개발한 뉴로모픽칩 개념도.

인간 두뇌의 뉴런과 시냅스의 연결방식을 모사한 컴퓨터 뉴로모픽칩이 개발됐다.

한국연구재단은 4일 보도자료를 통해 포항공대 이장식 교수(신소재공학) 연구진이 산화물 반도체의 광 반응성을 제어해 신호전달 세기를 조절할 수 있는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 밝혔다. 이 교수의 논문은 지난달 13일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 실렸다.

뉴로모픽 칩은 뉴런과 시냅스로 이뤄진 뇌 구조와 시냅스의 가소성을 기반으로 작동하는 인간 두뇌의 동작방식을 모사한 차세대 컴퓨터 칩이다. 디지털 신호 0과 1 기반의 컴퓨터 칩은 메모리소자와 연산소자가 별도여서 정보전송 과정에서 병목현상이 생기지만, 인간 두뇌는 기억과 연산을 동시에 수행하는 병렬처리 아날로그 방식이다.

뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도가 빠르고 소비전력이 낮다. 하지만 광반응성 제어에 한계가 있어 자극에 따라 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 인간 두뇌와 같은 시냅스 가소성(plasticity)을 모사하기 어려웠다.

연구진은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 산화물을 쌓아 빛으로 움직이는 인공 시냅스를 구현했다. 강유전체는 외부 전기장 없이도 자발적으로 분극(polarization)이 유지되는 물질로 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수 있다.

이번에 구현된 광 시냅스 소자는 빛에 의해 생성된 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리하도록 신호전달 세기를 제어한 것이 성과다. 그 결과 신경세포 간 연결강도, 즉 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화(synaptic weight change)가 20배 이상 증가했다.

연구진에 따르면, 이번 연구는 산화물 반도체의 광 반응성 특성을 이용하여 시냅스 가소성 특성을 모사했을 뿐만 아니라 강유전체 층의 분극 특성을 통해 시냅스 가소성 특성을 조절함으로써 기존 산화물 반도체 기반 광 시냅스 소자의 한계를 극복했다. 강유전체 물질의 분극을 이용하여 가소성 특성을 인위적으로 조절할 수 있어 뉴로모픽 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구진은 뉴로모픽칩이 얼굴 인식, 자율주행 자동차, 사물인터넷(IoT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대했다. 구본권 선임기자 [e-mail]