곤충처럼 사물 움직임 감지하는 반도체

KAIST

곤충의 생물학적 시신경계에서 기인한 기본 동작 인식 과정. KAIST 제공

국내 연구진이 곤충의 시신경계를 모방해 초고속, 저전력 동작이 가능한 지능형 동작인식 소자를 개발했다. 기존 기술 대비 에너지 소비량을 92.9% 감소시키면서 더 정확히 사물의 움직임을 예측할 수 있다. 

KAIST는 김경민 신소재공학과 교수 연구팀이 다양한 멤리스터 소자를 융합해 곤충 시신경의 시각 지능을 모사하는 지능형 동작인식 소자를 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

이미지를 인식하고 객체를 탐지하는 기존 비전 시스템은 이미지 센서에서 수신된 신호를 복잡한 알고리즘을 이용해 물체와 그 동작을 인식한다. 이러한 방식은 데이터 트래픽 양이 상당하고 전력이 많이 소모돼 모바일 또는 사물인터넷 장치에 적용되기 어렵다.

곤충은 ‘기본 동작 감지기’라는 시신경 회로를 통해 시각 정보를 효과적으로 처리해 물체를 탐지하고 그 동작을 인식하는 데 탁월한 능력을 가졌다. 앞서 이러한 곤충의 능력을 실제 소자에 적용하기 위한 시도가 이뤄졌지만 기존 실리콘 집적회로(CMOS) 기술은 복잡한 회로가 요구되기 때문에 한계가 있었다.

연구팀은 다양한 기능의 멤리스터 소자들을 집적해 고효율‧초고속 동작 인식이 가능한 지능형 동작인식 소자를 개발했다. 동작인식 소자는 자체 개발한 두 종류의 멤리스터 소자와 저항만으로 구성된 단순한 구조를 갖고 있다.

두 종류의 서로 다른 멤리스터는 각각 신호 지연 기능과 신호 통합 및 발화 기능을 수행했다. 곤충의 시신경을 직접 모사해 사물의 움직임을 판단할 수 있다는 사실이 확인됐다. 

연구팀은 개발된 동작인식 소자가 실질적으로 사용 가능한지 확인하기 위해 차량 경로를 예측하는 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 설계했다. 여기에 개발한 동작인식 소자를 적용했다. 그 결과 기존 기술 대비 에너지 소비를 92.9 % 감소한 상태에서도 더 정확히 사물의 움직임을 예측할 수 있는 것으로 나타났다.

김경민 교수는 “곤충은 매우 간단한 시각 지능을 활용해 놀랍도록 민첩하게 물체의 동작을 인지하는데 이번 연구는 신경의 기능을 재현할 수 있는 멤리스터 소자를 활용해 이를 구현할 수 있었다는 점에 의미가 있다”며 “동작 인식을 위한 효율적인 비전 시스템 구현에 기여할 수 있어 향후 자율주행 자동차, 차량 운송 시스템, 로봇, 머신 비전 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난달 29일 온라인 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]