고성능·고신뢰성 인공 시냅스 반도체 소자 개발
고성능·고신뢰성 인공 시냅스 반도체 소자 개발
  • 함예솔
  • 승인 2022.08.24 12:00
  • 조회수 1318
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논문 컨셉 이미지. 출처 : KIST
논문 컨셉 이미지. 출처 : KIST

인간의 뇌를 모사하는 '뉴로모픽 컴퓨팅 시스템' 기술은 기존 폰노이만 컴퓨팅 방식의 과도한 전력 소모 등의 한계를 타개하기 위해 대두되었습니다. 두뇌 정보 전달 방식에서는 뉴런이 스파이크 신호를 발생시키면 시냅스를 통해 다른 뉴런으로 신호가 전달되죠. 두뇌 정보 전달 방식을 반도체 소자에 구현하기 위해서는 시냅스의 다양한 연결 강도를 표현할 수 있는 고성능 아날로그 인공 시냅스 소자가 필요한데요.

 

그러나 인공 시냅스로 많이 사용되는 기존 저항 변화 메모리 소자의 경우, 저항 변화를 위해 필라멘트를 성장시킴에 따라 전계의 크기가 커집니다. 이는 다시 급격한 필라멘트 성장을 만드는 피드백 현상이 발생하는데요. 이 때문에 필라멘트 타입에서는 아날로그적인(점진적인) 저항변화를 유지하면서 큰 가소성을 구현하기 어려웠습니다. (전계: 대전된 물체의 주변에 존재하며 그 전하에 작용하는 힘이 존재하는 영역)

 

그런데, 최근 한국과학기술연구원(KIST) 인공뇌융합연구단 정연주 박사팀이 뉴로모픽 반도체 소자인 멤리스터 소자의 고질적 문제점인 아날로그 시냅스 특성 구현, 가소성 확보 그리고 정보 보존성의 한계를 동시에 해결하여 고성능·고신뢰성 뉴로모픽 컴퓨팅이 가능한 인공 시냅스 반도체 소자를 개발에 성공했습니다. (멤리스터(Memristor) 소자: 메모리(Memory)와 레지스터(Resistor)의 합성어로 소자의 저항값이 일정하지 않고 양단에 인가되는 전압에 따라 저항값이 변화하며 일정 시간 동안 이를 저장하는 소자)

 

KIST 연구진은 기존 뉴로모픽 반도체 소자의 성능을 저해하는 작은 시냅스 가소성을 해결하기 위해 활성 전극 이온의 산화환원 특성을 미세 조절했는데요. 이후, 다양한 전이 금속들을 시냅스 소자에 도핑하여 활성 전극 이온의 환원 확률을 조절할 수 있었습니다. 그 결과 이온의 높은 환원 확률이 고성능 인공 시냅스 소자를 개발할 수 있는 핵심 변수 중 하나임을 발견했습니다. (도핑(Doping): 결정 및 재료의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정을 말한다)

 

이를 바탕으로 연구진은 이온의 환원 확률이 높은 티타늄 전이 금속을 기존 인공 시냅스 소자에 도입하여, 시냅스의 아날로그 특성을 유지하면서도 소자의 가소성이 생물학적 뇌의 시냅스(고저항과 저저항의 차이 약 5배) 대비 약 50배 향상된 고성능 뉴로모픽 반도체를 개발해냈습니다.

 

또한, 도핑된 티타늄 전이 금속의 높은 합금 형성 반응으로 인해 기존 인공 시냅스 소자 대비 정보 보존성이 최대 63배 이상 증가하여 시냅스 장기 강화(long-term potentiation)·장기 약화(long-term depression)와 같은 뇌 기능을 더욱 정밀 모사할 수 있게 됐습니다.

 

연구진은 개발한 인공 시냅스 소자를 활용하여 인공신경망 학습패턴을 구현하고, 이를 기반으로 인공지능 이미지 인식 학습을 시도했습니다. 그 결과, 에러율이 기존 인공 시냅스 소자 대비 60% 이상 감소하였으며, 손글씨 이미지 패턴(MNIST) 인식 정확도 또한 69% 이상 증가했습니다. 연구팀은 이렇게 향상된 인공 시냅스 소자를 통해 고성능 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템의 실현 가능성을 확인할 수 있었습니다.

 

KIST 정연주 박사는 “본 연구는 기존 시냅스 모방 소자의 가장 큰 기술적 장벽이었던 시냅스 동작 범위와 정보 보존성을 획기적으로 개선한 연구이다.”라고 밝히며 “개발된 인공 시냅스 소자에서는 시냅스의 다양한 연결 강도를 표현하기 위한 소자의 아날로그 동작 영역이 극대화되었기 때문에 뇌 모사 기반 인공지능 컴퓨팅 성능이 한 차원 높아질 것”으로 기대했습니다. 또한 “후속 연구에서는 개발된 인공 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 반도체 칩을 제작해 고성능 인공지능 시스템을 구현하여 국내 시스템·인공지능 반도체 분야의 경쟁력을 더욱 높일 것”이라고 밝혔습니다.

연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Nature Communications’ 최신 호에 게재됐습니다.

논문명 : Cluster-type analogue memristor by engineering redox dynamics for high-performance neuromorphic computing

 

 

#용어설명

1. 폰노이만 컴퓨팅

폰노이만이 제시한 컴퓨팅 구조로, CPU, 메모리, 프로그램 구조를 갖는 프로그램 내장 방식의 컴퓨터 구조이다.

2. 시냅스의 가소성(Synaptic plasticity)

뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스는 자극의 정도에 따라 강하거나 약하게 연결될 수 있는데, 이러한 변화를 시냅스 가소성이라 함. 시냅스 가소성은 뇌의 정보 저장에 중요한 기능을 하는 것으로 알려짐.

3. 시냅스의 장기강화, 장기약화

시냅스 가소성의 일종. 시냅스 장기강화는 신호 전달이 장기간에 걸쳐 강화된 상태로 유지되는 현상을 의미하며, 시냅스 장기약화는 장기간에 걸쳐 약화된 상태로 유지되는 현상을 의미함.


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