뇌 동작 정밀 모사하는 차세대 반도체 소자 개발

UNIST

뇌 동작을 정밀하게 모사하는 차세대 반도체 소자를 개발한 연구팀이 기념사진을 촬영하고 있다. 울산과학기술원(UNIST) 제공

국내 연구진이 뇌 동작을 정밀하게 모사하는 차세대 반도체 소자를 개발했다. 

울산과학기술원(UNIST)은 서준기 신소재공학과 및 반도체 소재·부품 대학원 교수 연구팀이 2차원 물질 기반의 뇌 기능을 정밀하게 모방할 수 있는 이중 플로팅 게이트 반도체 소자를 개발했다고 4일 밝혔다.

컴퓨팅 시스템은 데이터의 ‘연산’과 ‘저장’이 독립적인 영역으로 구분돼 있어 동작 과정이 순차적으로 진행된다. 이러한 컴퓨팅 시스템은 데이터가 복잡해지고 회로당 소자의 수가 늘어남에 따라 높은 전력 소모와 느린 연산 속도를 유발한다.

반면 인간의 뇌는 약 1000억 개의 뉴런 및 뉴런과 뉴런 사이에 존재하는 약 1000조개의 시냅스가 병렬적으로 연결돼있다. 뇌는 시냅스의 연결 강도에 의해 데이터의 ‘연산’과 ‘저장’ 기능이 통합돼 있어 약 20W 이하의 적은 전력으로도 고밀도의 복잡한 데이터를 처리할 수 있다.

인간의 뇌를 모방한 인공 시냅스 소자를 구현하기 위해서는 간단한 2진수인 ‘0’과 ‘1’의 디지털 신호가 아닌 시간에 따라 연속적으로 변하는 복잡한 아날로그 신호를 모사할 수 있어야 한다. 하지만 이러한 아날로그 신호를 기존 반도체 소자에서 모사하기에는 정확성과 재현성의 한계가 존재했다.

연구팀은 2차원 반도체 소재를 이용해 뇌의 동작을 정밀하게 모사 가능한 이중 플로팅 게이트 기반의 인공 시냅스 소자를 성공적으로 개발했다. 개발된 인공 시냅스 소자는 전하를 저장할 수 있는 플로팅 게이트를 이중으로 구성해 전하를 분산 저장할 수 있도록 구성됐다. 이중 플로팅 게이트 기반의 소자는 기존 소자 대비 높은 신뢰성을 바탕으로 고밀도의 전하를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 정밀하게 뇌의 동작을 모사할 수 있었다.

연구팀은 원자 수준으로 얇은 두께와 표면에 결함이 없는 2차원 물질로 이중 플로팅 게이트 소자를 재현했다. 플로팅 게이트는 데이터를 저장할 수 있는 역할을 하는데 기존의 단일 플로팅 게이트 소자는 많은 양의 전하를 오로지 하나의 플로팅 게이트에 저장해 신뢰성과 재현성에 한계가 있었다.

이렇게 재현한 이중 플로팅 게이트는 기존의 단일 플로팅 게이트보다 여러 물질이 접합해 있어 많은 계면이 존재한다. 일반적인 경우 계면에 필연적으로 존재하는 결함에 의해 시냅스 특성을 모사하는데 어려움이 있다. 이번 연구에선 2차원 물질의 무결함 특성을 이용해 계면에 존재하는 결함을 최소화시켜 이중 플로팅 게이트 소자를 설계했다.
 
연구팀은 또 이중 플로팅 게이트 소자가 고밀도의 전하를 저장할 수 있는 특성과 정밀한 제어가 가능한 특성을 기반으로 뇌의 동작을 성공적으로 모사했다. 이를 통해 인공 신경망을 이용한 이미지 분류 작업에서 우수한 정확성을 확보할 수 있었다.

연구팀은 “이번 연구를 통해 2차원 물질 기반의 이중 플로팅 게이트 소자를 구현했다”며 “해당 소자는 뇌의 동작을 정밀하게 구현할 수 있고 이를 인공신경망에 이용하면 복잡한 데이터도 낮은 전력 소모와 빠른 연산 속도로 데이터를 처리할 수 있을 것”이라고 말했다.

서준기 교수는 “본 연구는 2차원 반도체 고유의 소재적 이점을 기반으로 고효율 뉴로모픽 신소자 구조를 디자인했다는 점에 큰 의의를 둘 수 있다”며 “간단한 표면 산화 공정을 통해 전하 저장소에 추가적인 장벽을 설치해 고정밀 시냅스 구동이 가능해진 점은 우리가 일상생활에서 효율적인 공간 활용을 위한 구획 정리와 크게 다르지 않다”고 설명했다. 연구 결과는 지난달 13일 국제학술지 ‘ACS 나노’에 게재됐다. 

[박정연 기자 hesse@donga.com]