OLED 소재로 AI반도체 소자 개발…정보 저장·연산 한번에

포스텍 연구진

왼쪽부터 정윤영, 김세영 교수. 포스텍 제공

국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이에 사용되는 소재를 활용해 고성능 인공지능(AI) 반도체 소자를 개발했다. 기존 컴퓨터 시스템이 정보 저장과 연산이 분리돼 있던 것과 달리 연구팀이 개발한 반도체 소자는 저장과 연산이 한번에 이뤄져 전력 소모와 계산 시간을 크게 줄이는 게 특징이다.  

포스텍은 정윤영 전자전기공학과‧반도체공학과 교수, 김세영 신소재공학과‧반도체공학과 교수 연구팀이 현재 OLED 디스플레이에서 널리 사용되는 'IGZO' 반도체 물질을 활용해 성능과 전력 효율이 뛰어난 고성능 AI 반도체 소자를 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ‘어드밴스드 일렉트로닉 머티리얼스’에 게재했다고 15일 밝혔다. 

오픈AI의 챗(Chat)GPT와 같은 생성형 AI는 광범위한 학습이 필요하며 이 과정에서 메모리와 프로세서 사이에 데이터 이동이 빈번히 일어난다. 하지만 기존 디지털 컴퓨터 시스템 구조는 정보 저장과 연산이 완전히 분리돼 있어 AI 연산에서는 전력 소모가 커지고 계산 시간도 많이 지연되는 한계가 있었다. 

연구팀은 AI 연산에 필요한 균일성, 내구성, 연산 정확도뿐만 아니라 상용화를 고려해 양산성까지 뛰어난 IGZO 물질을 활용했다. IGZO 물질은 인듐, 갈륨, 아연, 산소의 4가지 원자가 일정한 비율로 구성돼 있는 화합물이다. 전자 이동도가 우수하고 누설되는 전류가 적어 현재 OLED 디스플레이에서 널리 이용되고 있다. 

연구팀은 IGZO 물질을 활용해 두 개의 트랜지스터가 연결된 새로운 구조의 시냅스 소자를 개발했다. 이 두 개 트랜지스터는 저장 노드를 통해 연결돼 있고 저장 노드의 충‧방전 속도를 정밀하게 조절해 AI 반도체에 요구되는 다양한 성능 지표들을 높은 수준으로 충족시켰다. 거대 AI 시스템에 활용하기 위해서는 시냅스 소자의 출력 전류가 낮게 조절돼야 하는데 초박막절연체를 트랜지스터 내부에 도입해 전류를 제어함으로써 대규모 AI 연산에 활용할 수 있는 것도 확인했다. 

연구팀은 개발된 신소자를 이용해 손글씨 데이터를 학습시킨 후 분류한 결과 정확도가 98% 이상으로 나타나 향후 고성능 AI 시스템에 응용될 수 있을 것으로 내다봤다.

정윤영 교수는 “지금까지 소재 개발에 집중해온 기존 AI 반도체 연구 한계를 극복하면서 이미 양산성이 검증된 소재를 활용했다는 점에서 의의가 크다”며 “특히 우리나라는 IGZO 소재 활용에서 세계 최고의 경쟁력을 가지고 있는 만큼 향후 우리나라가 AI 반도체 분야의 주도권을 확보하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]