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‘뇌를 닮은 컴퓨터’에 쓰일 '뉴로모픽' 소자 개발

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2019년 04월 01일 14:10 프린트하기

 

인간의 뇌와 유사하게 정보를 병렬로 처리해 적은 에너지로 많은 정보를 처리할 수 있는 ‘뇌를 닮은(뉴로모픽) 컴퓨터’의 핵심 소자를 국내 연구팀이 개발했다. 기존 공정을 활용해 제조할 수 있어 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

 

포스텍은 이장식 신소재공학과 교수와 김민규 연구원팀이 자석처럼 외부에서 전기장을 가하지 않아도 전기의 양(+)극과 음(-)으로 나뉘는 물질인 ‘강유전체’를 이용해 뉴로모픽용 정보처리 소자를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘나노레터스’ 1월 30일자에 발표됐다.

 

기존의 컴퓨터는 정보저장 매체와 계산 매체가 분리돼 있으며 0과 1로 표현되는 정보를 순차적으로 처리한다. 이를 인공지능(AI)에 응용할 경우, 실제 사람의 뇌에 비해 에너지가 많이 든다는 단점이 있다. 연구팀은 "기존 컴퓨터로 구현한 바둑 AI ‘알파고’가 바둑 한 판을 두는 데 전기요금만 6000만 원 이상 드는 게 대표적인 사례"라고 설명했다.

 

뉴로모픽 컴퓨터는 신경세포(뉴런)가 그물 모양의 복잡한 네트워크를 이루며 정보 처리와 저장을 한꺼번에 하는 뇌를 흉내냈다. 0과 1 등의 디지털 정보가 아날로그 방식으로, 동시에 병렬적으로 여러 정보를 처리하고 저장해 에너지 효율이 높다. 이 컴퓨터를 개발하려면 신경세포 사이의 접합(시냅스)을 현실에서 흉내내는 소자 개발이 필요한데, 그 동안 효율 좋은 시냅스 소자는 개발되지 않았다.

 

이 교수팀은 정보 저장을 위한 반도체에 흔히 쓰이는 강유전체를 이용해 시냅스소자를 개발했다. 강유전체는 외부의 에너지가 끊겨도 +극과 –극을 분리한 상태를 유지할 수 있는 물질로 정보 처리와 저장에 유리하다. 연구팀은 이 성질을 미세하게 조정할 수 있는 기술을 개발한 뒤 이를 이용해 인공지능 신경망을 만들었다. 이 신경망으로 숫자를 구분하는 패턴 인식 실험을 한 결과, 숫자를 제대로 인식하는 성공률이 90% 이상으로 높다는 사실을 확인했다.

 

포스텍 연구팀이 새로 개발한 시냅스 칩의 구조(위)와 이를 이용해 이미지 인식을 하는 사례(아래). 사진 제공 포스텍
포스텍 연구팀이 새로 개발한 시냅스 칩의 구조(위)와 이를 이용해 이미지 인식을 하는 사례(아래). 사진 제공 포스텍

연구팀은 이 소자를 손쉽게 제작할 기술도 개발했다. 물질을 마치 증기를 뿜듯 원자 단위로 뿜어 얇게 켜켜이 쌓는 ‘원자측 증착법’을 이용해 금속(티타늄) 기판 위에 나노 두께의 강유전체 물질인 ‘지르코늄 도핑 하프늄 산화물’과 산화물 반도체(IGZO)를 쌓았다. 그 결과 나노미터 단위의 트랜지스터를 만드는 데 성공했다. 연구팀은 “고온공정이 필요 없고 양극과 음극으로 나뉘는 성질이 오래 안정적으로 유지되는데다 기존 반도체 공정에 사용되던 물질을 이용하기 때문에 상용화에 유리하다”고 말했다.


이 교수는 “이 소자를 실제로 뉴로모픽 칩에 사용하면 저전력 계산이 가능하다”며 “모바일기기나 무인자동차, 사물인터넷 등의 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

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