인간의 두뇌 닮은 '반도체소자' 개발

“현관에서 신발을 신으며 나설 채비를 하자 주차장의 자동차가 스스로 시동을 걸고 집 앞부터 목적지까지 데려다준다.”

꿈같은 얘기로 들리지만, 기계에 사람의 두뇌처럼 복잡하고 섬세한 신경망이 있다면 현실에서 충분히 가능한 일이다. 수많은 신경세포가 연결된 인간의 뇌를 모사해 다양한 정보를 동시에 처리하고 기억하게 하는 뉴로모픽 기술이 인공지능의 핵심으로 떠오르고 있다. 이 같은 상황에서 국내 연구팀이 간단한 구조로 뇌의 신경망을 구현한 반도체소자 개발에 성공했다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 황현상 교수 연구팀은 14일 병렬적인 정보 처리와 학습이 가능한 초소형ㆍ초절전 뉴로모픽 소자를 개발해 최근 미국에서 열린 반도체소자 분야의 권위 있는 학술회의인 국제전자기기회의(IEEE International Electron Device Meeting, IEEE IEDM)에서 공개했다고 밝혔다.

인간의 두뇌는 1000억 개가 넘는 신경세포, 즉 뉴런이 시냅스라는 연결고리를 통해 다른 뉴런과 서로 신호를 주고받으며 동시에 작동해 순식간에 정보를 처리하고 저장하며 되불러온다. 이런 까닭에 두뇌를 닮은 뉴로모픽 시스템이 차세대 기술로 주목을 받고 있지만, 현재 설계 방식으로는 필요한 트랜지스터의 수가 늘어나 반도체 칩의 크기와 전력소모도 크게 증가하기 때문에 시스템 구현이 어려운 문제로 남아있다.

황현상 교수 연구팀은 절연체ㆍ금속 전환이 가능한 NbO2 물질로 뉴런 모사 소자를 만들고 그 사이에 시냅스 역할을 위해 전도성 산화물인 PCMO 물질을 배치하는 단순한 구조를 이용해 해결책을 제시했다. 황 교수팀이 개발한 이 뉴로모픽 소자는 주기적으로 전기 자극이 가해질 때마다 변화하는 값을 기억하고 특정 조건에서만 작동하는 특성을 지녀, 기존의 방법으로는 수 십 개의 트랜지스터가 필요한 일을 단 한 개의 소자로 대신할 수 있다. 또, 나노미터 단위로 크기를 줄여도 이러한 소자의 특성이 유지되어 실제 신경망이 촘촘히 얽혀있는 인간의 두뇌처럼 시냅스와 뉴런의 높은 밀도를 구현할 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이를 이용한 패턴인식 기능 등의 추가기술 개발에 나설 계획이다. 이 기술을 이용해 뇌파 신호와 영상ㆍ이미지 신호 등을 실시간으로 분석할 수 있게 된다면, 뇌신호를 통한 기기제어와 스마트 로봇, 무인자동차 등에 광범위하게 응용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.