인간의 두뇌를 모사한 컴퓨팅 뉴로모픽 칩이 개발됐다.
한국연구재단은 포항공대 이장식 교수팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연 산화물) 층에 외부 전기 자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물(HfZrOx)을 적층해 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다.
뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 소비전력이 낮아 주목받는다.
하지만 광반응성 제어에 한계가 있어 두뇌 작동방식, 특히 외부 자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성(plasticity)을 모사하기 어려웠다.
연구팀이 구현된 광 시냅스 소자는 칼슘이온이 유입된 신경세포에서 다음 신경세포로 신경전달물질이 분비되면서 전기적 신호가 전달되는 것처럼 빛에 의해 생성된 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리한다.
이러한 과정에서 분극돼 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용해 산화물 반도체에서의 전자 재결합을 제어, 소자의 신호전달 세기를 제어했다.
그 결과 신경세포 간 연결강도, 즉 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화가 20배 이상 증가했다.
이장식 교수는 “광 시냅스 소자에 기반한 뉴로모픽 칩이 상용화 된다면 추후 얼굴 인식, 자율 주행 자동차, 사물인터넷(IoT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다”며 “실용화를 위해서는 산화물 반도체의 광 반응성을 보다 향상시켜 보다 큰 시냅스 가중치 변화를 구현하고 고집적 뉴로모픽 칩 구현을 위해서 소자 집적화 기술 개발이 필요하다”고 말했다.
이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 2월 13일 게재됐다.
