DGIST, 인간 뇌기능 모사한 인공 시냅스 소자 개발

이명재 실장 연구팀...인공지능(AI), 두뇌 모방형 반도체 개발 활용 기대

DGIST(총장 손상혁)는 지능형소자융합연구실 이명재 실장(사진) 연구팀이 인간의 뇌에서 기억을 담당하는 신경세포(뉴런)와 시냅스의 기능을 모사한 인공 시냅스 소자를 개발했다고 27일 밝혔다.

시냅스는 인간의 뇌에 있는 뉴런과 뉴런이 신경 흥분 신호를 주고받을 수 있도록 축색돌기와 수상돌기가 만나는 부분으로 뇌 속에 수십조에서 수백조개가 있는 것으로 알려져 있다.

뇌에서 정보를 전달하는 이러한 화학적 시냅스 정보 전달 시스템은 매우 적은 에너지로도 고도의 병렬 연산을 처리할 수 있어 시냅스의 생물학적 기능을 모방한 소자인 인공 시냅스 소자에 대한 연구가 세계적으로 진행되고 있다.

이명재 실장 연구팀은 서울대 박경수 교수, 중앙대 박성규 교수, POSTECH 황현상 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전이금속 물질인 탄탈옥사이드를 Ta2O5-x과 TaO2-x의 2중층으로 구조화하고 그 표면을 제어해 다중치를 가지는 고신뢰성 인공 시냅스 소자로 개발했다.

연구팀이 개발한 인공 시냅스 소자는 전기신호의 강도에 따라 탄탈옥사이드층의 저항값이 점진적으로 커지거나 작아지면서 뇌의 시냅스 기능을 모사한 전기적 시냅스 소자로 Ta2O5-x의 한 층에서만 전류 제어가 가능하도록 함으로써 기존 소자의 내구성 특성 한계를 극복하는데 성공했다.

DGIST 지능형소자융합연구실 이명재 실장 연구팀이 개발한 인공 시냅스 소자 모식도.(사진제공=DGIST)

또 뉴런 간의 시냅스 연결 강도를 조절해 기억을 저장하는 장기강화작용, 기억을 지우는 장기억제작용 등 기억의 생성, 저장, 삭제 과정인 시냅스 가소성을 구현하는 실험도 성공했다.

연구팀이 적용한 비휘발성 다중치의 데이터 저장방식은 휘발성 CMOS(상보형금속산화반도체)와 같은 0, 1을 사용하는 디지털 신호를 기반의 데이터 저장 방식과 비교해 인공 시냅스 소자 시스템 면적이 작고, 회로 연결 복잡성이 덜하며 소모 전력을 1천분의 1 이상 줄일 수 있는 기술적 장점이 있다.

연구팀이 개발한 새로운 개념의 고신뢰성 인공 시냅스 소자는 저전력 병렬 연산이 가능해 방대한 양의 빅데이터 정보처리를 위한 초절전 소자 혹은 회로로 사용할 수 있으며, 머신러닝과 딥러닝 등의 인공지능(AI) 개발, 두뇌 모방형 반도체와 같은 차세대 지능형반도체 소자 기술에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST 지능형소자융합연구실 이명재 실장은 “이번 연구결과를 통해 기존 인공 시냅스 소자의 신뢰성을 확보하고 단점으로 지적된 부분을 개선했다”며 “뉴런의 기능을 모방한 회로를 만들어 인간의 뇌를 모사하는 뉴로모픽 시스템 인공지능 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 지난달 23일자 온라인판에 게재됐으며 8월호 표지 논문으로도 게재될 예정이다.

대구 유진영 기자 [e-mail]