우주 데이터센터에 쓰일까…방사선 견디는 AI 반도체 국내 첫 성능 검증

인공위성이나 우주 탐사선에 도입되는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등을 구현하려면 우주의 강력한 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 고성능 반도체 소자가 필수적이다. 한국원자력연구원 제공

국내 연구팀이 인공지능(AI) 구동에 적합한 AI반도체 소자의 내방사선 성능을 지상에서 처음으로 검증했다. 우주 환경에서 쓰일 수 있는 국산 내방사선 반도체 개발의 초석을 닦은 것으로 평가된다.

과학기술정보통신부는 한국원자력연구원 강창구 책임연구원, 이용수 선임연구원 연구팀이 조병진 충북대 교수팀과 공동연구를 통해 우주국방용 차세대 뉴로모픽 AI 반도체를 개발하고 가혹한 방사선 환경에 노출된 후에도 기능이 유지된다는 사실을 확인했다고 19일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '머티리얼스 사이언스 인 세미컨덕터 프로세싱' 3월호에 발표됐다.

항공우주 기술의 경쟁력은 가혹한 환경에서 전자 시스템이 얼마나 안정적으로 성능을 유지하는지가 관건이다. 특히 데이터 수집 및 분석 능력을 높이기 위해 인공위성이나 우주 탐사선에 도입되는 AI, 사물인터넷(IoT) 구현에는 고성능 반도체 소자가 필수적이다.

우주 공간에서 전자 장비는 고에너지 우주 방사선에 노출된다. 지구에서 멀어질수록 방사선을 막아주는 지구 자기장의 힘이 약해지기 때문이다. 방사선은 반도체 소자에 손상과 결함을 유발해 성능 저하와 오작동, 영구적인 고장까지 일으킨다. 메모리반도체의 경우 방사선에 노출되면 저장된 정보가 변질될 위험이 있다.

연구팀은 차세대 반도체 소재인 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반 뉴로모픽 트랜지스터를 제조하고 내방사선 성능을 검증했다. 트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 전류 흐름을 제어하는 반도체 소자다. 인간 뇌신경을 모방한 뉴로모픽 반도체는 에너지 효율이 높고 고속 처리가 가능한 차세대 기술로 주목받는다.

연구팀이 경북 경주에 있는 원자력연 양성자가속기로 IGZO 트랜지스터에 33MeV(메가전자볼트, 에너지의 단위)의 고에너지 양성자 빔을 조사한 후 소자의 성능을 확인한 결과 구동 전류가 10~30% 감소하고 내부 저항이 증가하는 등 성능 저하가 관찰됐지만 소자의 기본적인 스위칭 동작과 연산 기능이 유지됐다. 지구 저궤도 우주 방사선에 약 20년 노출된 수준의 방사선량이다. 양성자는 우주 환경에 흔한 방사성 입자 중 하나다.

연구팀은 방사선에 노출된 소자의 AI 연산 능력을 평가하기 위해 컴퓨팅 시뮬레이션을 진행했다. 손글씨 숫자를 인식하는 테스트 진행 결과 92.61%의 높은 정확도를 기록했다. 16가지의 서로 다른 상태를 명확히 구분하는 능력도 확인됐다.

IGZO 반도체는 방사선 손상에 강하고 얇으면서도 전기적 특성이 뛰어나 우주선이나 인공위성에 탑재되는 디스플레이 및 논리 소자의 핵심 후보 물질로 꼽힌다. 우주국방용 AI 반도체 국산화의 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.

조 교수는 "향후 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가로 연구해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심 기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 밝혔다. 강 책임연구원은 "연구 성과가 전력 공급이 제한된 방사선 환경 등 극한 환경에서 활용할 수 있는 차세대 AI 반도체 핵심 기술로 활용되기를 바란다"고 말했다.

소자나 장비 성능을 실제 우주 환경에서 검증하고 연구용 데이터를 수집하는 시도도 꾸준하다. 4월 1일 발사가 예정된 미국 달 탐사 로켓 아르테미스 2호에는 삼성전자와 SK하이닉스의 반도체 칩이 부탑재체로 실린다. 우주항공청도 국산 소자부품 우주검증 지원 사업을 통해 국산 반도체·센서·배터리 등을 검증용 위성에 실어 우주 사용 이력을 확보하고 있다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.mssp.2025.110320

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]