기존 반도체 공정으로 인간 뇌 모방한 뉴로모픽 반도체 만들었다

2021.08.05 13:00
KAIST 전기및전자공학부 연구팀
연구팀이 개발한 뉴로모픽 반도체를 얼굴 이미지 인식 기술에 활용한 결과다. KAIST 제공.
연구팀이 개발한 뉴로모픽 반도체를 얼굴 이미지 인식 기술에 활용한 결과다. KAIST 제공.

이미 상용화된 실리콘 공정 기술을 이용해 인간의 뇌에 있는 신경세포 뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스 특성을 구현한 고집적 ‘뉴로모픽 반도체’가 개발됐다. 뉴로모픽 반도체의 집적도를 높이고 생산 비용 절감을 통한 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 

 

KAIST 전기및전자공학부 최양규 교수와 최성율 교수 연구팀은 인간의 뇌를 모방한 고집적 뉴로모픽 반도체를 개발했다고 5일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 8월호 온라인판에 게재됐다. 

 

뉴로모픽 반도체는 인간의 뇌를 모방해 인공지능 기능을 하드웨어로 구현하는 반도체다. 인간의 뇌가 매우 복잡한 기능을 수행하지만 불과 20와트(W)의 에너지만 소모한다는 사실에 착안한 기술로 인공지능의 복잡한 연산을 초저전력을 수행할 수 있어 최근 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 

 

공동연구팀은 단일 트랜지스터를 이용해 인간 뇌의 뉴런과 시냅스로 구성된 뉴로모픽 반도체를 구현했다. 상용화된 실리콘 표준 공정으로 제작해 뉴로모픽 하드웨어 시스템의 상용화 가능성을 획기적으로 높인 게 특징이다. 

 

뉴로모픽 하드웨어를 구현하려면 생물학적 뇌와 동일하게 일정 신호가 통합됐을 때 뉴런과 뉴런 사이의 연결성을 기억하는 시냅스가 필요하다. 그러나 기존 디지털 또는 아날로그 회로를 토대로 구성된 뉴런과 시냅스는 집적도에서 한계가 있다. 이를 개선하기 위해 다양한 소재 및 구조 기반의 기술이 제안됐지만 대부분 표준 실리콘 미세 공정 기술로는 제작이 어려워 상용화가 더뎠다. 

 

연구팀은 이미 널리 쓰이고 있는 표준 실리콘 미세 공정 기술로 제작할 수 있는 단일 트랜지스터로 뉴런과 시냅스 기능을 모방하는 데 성공하고 이를 8인치의 웨이퍼에 집적시켜 뉴로모픽 반도체를 제작했다. 

 

연구팀이 제작한 뉴로모픽 트랜지스터는 현재 양산중인 메모리나 시스템 반도체용 트랜지스터와 동일한 구조다. 트랜지스터에 새로운 동작 원리를 적용해 구조는 같지만 기능이 다른 뉴로모픽 트랜지스터로 구현했다. 연구팀은 제작된 뉴로모픽 반도체로 뇌의 기능을 일부 모방해 글자 이미지 및 얼굴 이미지 인식이 가능하다는 사실을 입증했다. 

 

연구팀은 “이번에 개발한 뉴로모픽 반도체는 집적도 개선과 비용 절감 등으로 뉴로모픽 반도체 하드웨어 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 
 

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