연구자 인터뷰
인간 두뇌 모사한
차세대 컴퓨팅 뉴로모픽 칩 개발
0과 1이라는 디지털 신호 기반의 컴퓨터 칩은 메모리소자와 연산소자가 별개여서, 소자 간 정보전송 과정에서 병목현상이 생긴다. 하지만 우리 뇌는 기억과 연산을 동시에 수행하는 아날로그 방식이다.
병렬처리로 에너지 소모를 줄인 것은 자는 동안에도 일하는 우리 뇌로서는 어찌 보면 당연한 일이다. 이처럼 정보의 저장과 처리가 병렬로 수행되는 뇌의 시냅스(신경세포간 정보전달이 이뤄지는 부위)를 모사한 뉴로모픽 칩※은 전력소비를 기존 반도체 대비 수 백 배에서 수 십 만 배 이하로 줄일 수 있다. 저전력 다기능 반도체 칩의 진화는 이미지나 동영상 같은 복잡한 비정형 데이터의 효율적 처리가 필요한 AI, 빅데이터, 자율주행 자동차의 실현을 위한 중요한 과제이다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 이장식 교수(포항공과대학교) 연구팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 밝혔다.
연구팀(이장식 교수, 김민규 박사과정)은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연 산화물,IZGO) 층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물(HfZrOx)을 적층하여 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다.
지금까지는 시냅스의 전기적 자극에 의해 동작하는 전자형 시냅스 소자 기술 개발이 활발했다. 하지만 최근 광학적 자극에 의해 동작하는 광 시냅스 소자가 빠른 동작 속도와 낮은 소비전력, 그리고 소자 간 간섭이 적은 장점 때문에 주목받고 있다.
산화물 반도체의 광 반응성은 시냅스의 가소성 특성과 유사하여 광 시냅스 소자로 주목받고 있지만 광 반응성 거동을 제어하는 데 한계가 있었다. 이러한 한계는 뉴로모픽 소자에 광 시냅스를 적용할 때 문제가 될 수 있다.
따라서 우리 연구팀은 산화물 반도체 기반 광 시냅스 소자의 광 반응성 조절을 통한 시냅스 특성 제어 가능성에 주목하였고, 이 연구에서 강유전체의 분극 특성을 이용하여 시냅스 가소성 특성 조절 가능한 광 시냅스 소자 개발 연구를 시작하였다.
강유전체 분극 특성을 활용하여 시냅스의 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자를 처음으로 개발한 것이다. 기존에 제시되었던 산화물 반도체 물질의 조성 제어 및 외부 전압인가 방식이 아닌 강유전체 층의 분극을 이용하는 시냅스 가소성 특성 제어는 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩* 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
해당 특성을 이용하면 강유전체 물질의 분극을 통해 적용분야에 따라 적합하게 가소성 특성을 조절할 수 있어 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩 개발의 가속화에 기여할 것으로 기대된다.
* 뉴로모픽 칩 : 1011개의 뉴런과 1015개의 시냅스로 이루어진 뇌의 구조와 시냅스의 가소성 특성을 기반으로 동작하는 인간 두뇌의 작동방식을 모사한 컴퓨터 칩. 병렬적 정보처리 방식으로 비정형 정보를 효율적으로 처리할 수 있어 차세대 컴퓨팅 방식으로 주목받고 있다.
해당 광 시냅스 소자에 기반한 뉴로모픽 칩이 상용화 된다면 추후 얼굴 인식, 자율 주행 자동차, 사물인터넷(IOT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
실용화를 위해서는 산화물 반도체의 광 반응성을 보다 향상시켜 보다 큰 시냅스 가중치 변화를 구현하고 고집적 뉴로모픽 칩 구현을 위해서 소자 집적화 기술 개발이 필요하다.