'인간의 뇌' 닮고 1만배 빠른 차세대 인공지능 반도체 소자

등록 2024.02.29 08:49

수정 2024.02.29 09:33

▲인간의 뇌를 닮은 차세대 인공지능 반도체 소자 개발. DGIST에 따르면 이 이미지는 Playground AI에 의해 생성됐다.DGIST 제공

인간의 뇌처럼 연산과 메모리 기능을 동시에 수행하지만, 인간의 시냅스(synapse, 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 연결 지점으로, 뉴런이 작동하는데 있어 중요한 역할함)보다 1만배 빠르며, 극소량의 에너지를 소모하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 소자가 세상에 나왔다,

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 이건우)는 29일 "전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수팀(제1저자 송총명 석박통합과정생)이 인공지능 및 신경모사 시스템의 효율성을 가져 '인간의 뇌를 닮은' 차세대 AI 반도체 기술을 개발했다"고 밝혔다.

DGIST는 최근 연구 동향에 대해 "인공지능 기술의 발전에 따라 에너지 효율적이면서도 빠른 동작 속도를 가진 반도체 기술의 수요가 급증하고 있다"면서 "하지만 기존의 컴퓨팅 장치는 연산장치와 메모리가 별도로 구성된 '폰 노이만 구조(von Neumann architecture)'를 가지고 있어, 데이터 처리 과정에서 병목현상으로 속도와 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다"고 짚었다.

그러고는 "생물학적 뉴런은 연산과 메모리 기능을 동시에 수행하는 특성을 가지고 있어, 이를 모방한 신경모방 소자 연구가 주목받고 있다"고 소개했다. '폰 노이만 구조'는 주기억 장치와 중앙 처리 장치, 입출력 장치의 전형적인 3단계 구조로 이루어진 프로그램 내장형 컴퓨터 구조로써, 대부분의 컴퓨터의 기본 구조를 가리킨다.

아날로그 신경 모방 소자 개념도 a. 아날로그 신경 모방 소자 개념도. b. 다중데이터 특성 및 이미지 분류 학습 정확도 테스트 — ▲**아날로그 신경 모방 소자 개념도**a. 아날로그 신경 모방 소자 개념도. b. 다중데이터 특성 및 이미지 분류 학습 정확도 테스트DGIST 김은경 교수

이에 권혁준 DGIST 교수팀은 강한 전기적 특성을 가진 산화하프늄과 얇은 층으로 쌓인 이황화주석을 이용해 '시냅스 전계 효과 트랜지스터'를 개발했다. 이는 뉴런과 유사한 방식으로 여러 단계의 데이터를 저장할 수 있는 기능을 가진 '3단자 구조의 신경망 소자'이다.

연구팀은 연구 결과로, 단기·장기 특성과 같은 생물학적 특성을 성공적으로 구현했을 뿐 아니라, 인간의 시냅스보다 1만 배나 빠른 응답 속도와 매우 적은 에너지를 소모하는 초고효율 소자를 개발해냈다.

권혁준 교수는 "이번 연구는 차세대 소재인 이차원 채널과 강유전성 산화하프늄을 이용하여 고성능 신경 모사 하드웨어를 개발함으로써, 저전력 소모 및 고속 연산이 요구되는 차세대 컴퓨팅 아키텍쳐를 위한 중요한 발판"이라면서 "향후 AI 및 머신러닝을 적용한 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인기초연구사업, 차세대지능형반도체기술개발사업 및 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 세계적 학술지인 <Advanced Science(IF:17.521)>에 지난 20일 온라인 개재됐다.