‘빛’으로 학습·망각 제어…뇌 닮은 AI 반도체 개발

- 성균관대 조새벽 교수팀
- 저전력 AI 가속기 활용

조새벽 성균관대학교 화학공학과 교수.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 빛을 활용해 사람처럼 필요한 정보는 오래 기억하고, 불필요한 정보는 약화시키는 뇌 모방 반도체가 개발됐다.

한국연구재단은 성균관대학교 조새벽, 양우석 교수와 연세대학교 조정호 교수 공동연구팀이 빛의 파장(색깔)에 따라 기억 강화와 기억 약화를 각각 독립적으로 구현할 수 있는 새로운 광시냅스 플랫폼을 개발했다고 10일 밝혔다.

AI는 똑똑해질수록 전력 소모도 크게 증가해, 기억·연산을 동시에 처리하는 뉴로모픽(뇌 모방) 컴퓨팅이 주목받고 있다.

뉴런이 신호를 만들고 시냅스를 통해 다른 뉴런으로 전달하는 방식을 모방해 정보를 처리한다. 데이터 처리 장치와 저장 장치가 서로 정보를 교환하는 고전 반도체와 달리, 뉴로모픽은 데이터 저장과 처리를 동시에 수행해 막대한 양의 정보를 적은 전력으로도 빠르게 처리할 수 있다.

이를 위해서는 뇌처럼 정보를 전달하고 기억하는 인공 시냅스를 구현해야 하는데, 특히 광시냅스는 초저전력·고속 동작과 대규모 병렬처리가 가능해 차세대 AI 가속기의 핵심 소자로 평가된다.

하지만 기존 광시냅스는 학습을 강화하는 ‘외우기’와 망각을 유도하는 ‘잊기’를 같은 스위치로 조절해 와서 두 기능을 독립적으로 제어하기 어려웠고, 학습이 반복될수록 기억이 한쪽으로 치우쳐 과부하가 오거나 정보가 지워지는 문제가 발생했다.

연구팀은 광시냅스 소재의 결함을 오히려 기억의 항상성을 유지하는 수단으로 활용하는 역발상으로 문제 해결에 접근했다.

먼저 이 소재로 만든 반도체 내 금속 이온의 미세한 결함을 정밀하게 조절해 전기 신호를 붙잡아 두는 일종의 창고를 만들었다.

그 위에 근적외선만 선택적으로 흡수하는 분자층을 나노미터 수준으로 적층, 성질이 서로 다른 물질을 맞붙인 구조를 구현했다.

빛의 색으로 ‘외우기’와 ‘잊기’를 조절하는 뇌 모방 광시냅스.[성균관대학교 제공]

이런 이종접합 구조가 갖는 차이 덕분에 어떤 색의 빛을 비추느냐에 따라 전자의 이동 속도·방향이 달라지는 광시냅스 시스템이 완성됐다.

즉 비추는 빛의 색이 곧 외우기, 잊기의 스위치가 되면서 인공지능 반도체 소자의 기억을 선택적으로 강화하거나 약화시킬 수 있게 된 것이다.

실험 결과, 근적외선을 비추면 시냅스가 13배 이상 강해지는 외우기 가속이, 청색광을 비추면 갇혀 있던 전자가 풀려나며 빠르게 약해지는 잊기 가속이 일어났다.

조새벽 교수는 “빛만으로 학습과 망각을 처리할 수 있어 저전력 AI 가속기, 인공시각, 인공망막 등에 활용될 수 있다”면서 “실용화를 위해서는 다수의 소자를 촘촘히 집적한 대규모 배열을 제작하고, 반복 동작에 따른 내구성과 소자 간 균일성을 확보하는 것이 과제”라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구 사업 지원으로 수행된 이번 연결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 18일 게재됐다.