우주 방사선 환경 견디는 차세대 AI 반도체 소자…세계 최초 검증 성공

▲과학기술정보통신부 (사진제공=과학기술정보통신부)

과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 19일 원자력연 첨단방사선연구소와 충북대, 벨기에 IMEC 공동 연구팀이 과기정통부 지원을 통해 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 AI 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 밝혔다.

최근 우주 탐사 기술의 급격한 발전에 따라, 인공지능(AI)과 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있도록 ‘내방사선’ 특성 확보가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 이에 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.

연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연의 양성자가속기로 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했다. 조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상(저궤도 위성의 수명이 보통 5~15년) 노출된 것과 같은 수준으로 했다.

이후 소자의 특성을 재평가한 결과, 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰되었으나 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성(뉴런 연결 강도 조절 능력)은 안정적으로 유지됨을 확인했다.

특히 방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식)’에서 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다. 또한 시계열 정보 처리에 적합한 ‘레저버 컴퓨팅’ 시스템을 구현하여 4비트 연산 능력을 입증함으로써 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했다.

이번 연구는 과기정통부의 지원 사업을 통해 수행됐다. 공동 연구팀의 세 기관은 각각의 장점을 살려 대학(충북대 조병진 교수)이 소자 제작 및 특성 평가를, 출연연(원자력연 강창구 책임연구원)이 양성자 조사 설계 및 분석을 담당했다. 해외 기관(벨기에 IMEC 유태진 박사)은 결과 해석을 지원했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)’ 3월 호에 게재됐다.

연구팀은 “이번 연구는 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명한 것”이라며 “뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 말했다.

오대현 과기정통부 미래전략기술정책관은 “이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례”라며 “대한민국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천 기술을 확보하여 자립할 수 있도록 지속적으로 지원하겠다”고 밝혔다.