우주 방사선 환경 견디는 차세대 AI 반도체 소자 검증 성공

원자력연, 충북대·벨기에 IMEC와 공동 연구
인듐·갈륨·아연 산화물 기반 시냅틱 트랜지스터 제작

[이데일리 강민구 기자] 한국원자력연구원 첨단방사선연구소가 충북대, 벨기에 IMEC 공동연구팀과 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 검증했다.

최근 우주 탐사 기술의 발전에 따라 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견디기 위해 ‘내방사선’ 특성을 확보하는 것이 핵심 과제로 떠오르고 있다. 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.

우주항공용 AI 뉴로모픽 반도체의 활용모식도.(자료=한국원자력연구원)

연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연의 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했다.

조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상(저궤도 위성의 수명이 보통 5~15년) 노출된 것과 같은 수준으로 했다.

이후 소자 특성을 재평가한 결과, 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰됐지만 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성(뉴런 연결 강도 조절 능력)은 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

우주항공용 AI뉴로모픽 반도체 기술을 검증한 주요 연구진.(왼쪽부터)강창구 원자력연 박사, 이용수 원자력연 박사, 박우진 충북대 박사, 조병진 충북대 교수.(사진=한국원자력연구원)

특히 방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션’에서 92.61%의 패턴 인식 정확도를 기록했다. 또 시계열 정보 처리에 적합한 ‘레저버 컴퓨팅’ 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증하고, 우주 방사선 환경에서의 활용 가능성을 제시했다.

연구팀 관계자는 “고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로 기능할 수 있음을 증명했다”며 “성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가로 연구하고, 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화해 뉴로모픽 반도체나 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나가겠다”고 전했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)’ 3월호에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)