인간 뇌처럼 뉴런-시냅스 동시 구동 모사한 메모리 최초 구현
인간 뇌처럼 뉴런-시냅스 동시 구동 모사한 메모리 최초 구현
  • 이웃집편집장
  • 승인 2022.06.23 23:22
  • 조회수 780
  • 댓글 0
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KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀이 100 nm(나노미터) 두께의 단일 소자에서 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 뉴로모픽(neuromorphic) 메모리를 개발했습니다. 뉴런은 신경계를 이루는 기본적인 단위세포를, 시냅스는 뉴런 간의 접합 부위를 말하는데요.

 

이 교수팀은 인간의 뇌처럼 뉴런과 시냅스가 유기적으로 동작하는 방식의 단일 메모리 소자를 최초로 구현했습니다. 이를 통해 반도체 소자로 인간 뇌를 완전히 구현한다는 뉴로모픽 컴퓨팅 본연의 목표 달성에 근접할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 뉴로모픽 소자인간의 뇌는 뉴런과 시냅스의 네트워크로 구성되어 있으며, 이들이 가지는 가소성이라고 하는 고유의 특성을 통해 기억과 학습등의 인지 기능이 발현된다. 뉴런의 가소성을 하부에 위치한 휘발성의 문턱 스위치 소자층을 이용해 모사하고, 시냅스의 가소성을 상부에 위치한 비휘발성의 상변화 메모리층을 통해 모사하여 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 소자를 제작하였다. 출처 : KAIST
뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 뉴로모픽 소자인간의 뇌는 뉴런과 시냅스의 네트워크로 구성되어 있으며, 이들이 가지는 가소성이라고 하는 고유의 특성을 통해 기억과 학습등의 인지 기능이 발현된다. 뉴런의 가소성을 하부에 위치한 휘발성의 문턱 스위치 소자층을 이용해 모사하고, 시냅스의 가소성을 상부에 위치한 비휘발성의 상변화 메모리층을 통해 모사하여 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 소자를 제작하였다. 출처 : KAIST

1,000억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스의 복잡한 네트워크로 구성된 인간 뇌는 그 기능과 구조가 고정된 것이 아니라 외부 환경에 따라서 유연하게 변하는 특징을 가지고 있습니다. 따라서 뉴로모픽 소자는 뉴런과 시냅스의 특성을 모사해 기존의 컴퓨터로는 구현할 수 없는 인간 뇌의 고도 인지 기능을 실현하는 데에 가장 큰 목적을 가집니다.

 

지금까지 뉴로모픽 컴퓨팅 구현을 위해서 CMOS 집적회로와 비휘발성 메모리 등을 이용한 연구들이 진행됐습니다. 그러나, 기존 기술들은 뉴런과 시냅스의 기능을 분리해 모사한다는 한계점을 가지고 있었죠. 인간 뇌에서 뉴런과 시냅스는 서로 유기적으로 연결돼 있으며, 서로 간의 상호작용을 통해 인지 기능이 발현됩니다. 이러한 뉴런과 시냅스의 기능을 인간 뇌처럼 단일 구조체에서 통합해 구현하는 것은 어려운 도전 과제였습니다. 

 

이 교수 연구팀은 휘발성의 소자(threshold switch)로 뉴런을, 비휘발성의 상변화 메모리 소자로 시냅스를 모사해 단기·장기 기억이 공존하는 단일 뉴로모픽 소자를 개발했습니다. 이를 통해 집적도 개선 및 비용 절감 효과도 얻을 수 있을 것으로 예측하고 있습니다. 특히 기존 CMOS 뉴런 소자에서는 단순 신호 발산 기능만이 구현됐으나, 연구팀의 뉴런-시냅스 통합소자는 신호 발산 유형이 환경에 따라서 유연하게 적응하는 가소성(plasticity)을 구현하는 데 성공했습니다.

 

이건재 교수는 이번 연구 성과에 대해 "인간은 뉴런과 시냅스의 상호작용을 통해 기억, 학습, 인지 기능을 발현하므로 둘 모두를 통합 모사하는 것이 인공지능에 있어서 필수적인 요소ˮ라며 "개발한 단일 뉴런-시냅스 소자는 기존의 단순 이미지 학습 효과를 넘어서, 피드백 효과를 기반으로 한 번 배운 내용을 더 빨리 학습하는 재학습(retraining) 효과 구현도 성공해 인공지능뿐만 아니라 뇌를 역설계하는 연구에도 큰 도움이 될 것이다”고 언급했습니다. 

 

 연구결과는 국제 학술지 `네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 5월 19일 字 게재됐습니다.

논문명 : Simultaneous emulation of synaptic and intrinsic plasticity using a memristive synapse


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