시냅스도 뉴런도 된다…'피지컬 AI' 앞당길 인간 뇌 모사 반도체 개발

△ 바나듐산화물을 이용한 멤리스터 소자와 로봇손 운동 제어를 나타낸 모사도. 바나듐산화막의 미세구조를 제어해 휘발성의 인공뉴런과 비휘발성의 인공시냅스 특성을 구현하여 이로 이루어진 인공신경망과 운동 제어 시스템을 시연했다

하나의 반도체 소자가 기억 기능과 신호 발생 기능을 선택적으로 수행한다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원/융합에너지공학과 왕건욱 교수 연구진과 KIST(한국과학기술연구원) 양성욱 박사 연구진이 공동으로 ‘재구성형(reconfigurable) 뉴로모픽 소자’ 기술을 개발했다.

인간의 뇌는 신호를 발생시키는 ‘뉴런’과 정보를 기억하는 ‘시냅스’가 긴밀하게 연결되어 정보를 저장하고 처리한다. 이 방식을 전자소자로 구현하는 기술이 바로 ‘뉴로모픽(neuromorphic)’이다. 기존 컴퓨터처럼 메모리와 연산장치를 분리하지 않고, 뇌처럼 저장과 처리를 밀접하게 결합해 데이터 이동과 에너지 소모를 줄이는 것이 목표다.

인공 시냅스는 정보를 오래 기억하는 특성(비휘발성), 인공 뉴런은 신호를 발생시키고 다시 초기 상태로 돌아가는 특성(휘발성)이 필요하다. 이처럼 다른 전기적 특성이 요구되는 탓에 기존에는 서로 다른 재료 혹은 소자로 뉴로모픽을 구현하는 경우가 많았는데, 이는 시스템 확장 시 제조공정과 회로 구성이 복잡해지는 한계로 이어졌다.

연구진은 하나의 반도체 소자(바나듐 산화물 멤리스터) 내부 구조를 제어해 두 특성을 동시에 구현했다. 열처리 과정을 통해 소자 내부에 비대칭적인 미세 구멍(나노다공성 구조)과 산소가 빠져나간 빈자리(산소공공)를 형성한 것이 핵심이다. 여기서 미세한 구멍과 결함이 많은 영역은 인공 시냅스, 구조가 촘촘하고 빈 공간이 적은 영역은 인공 뉴런 기능을 한다. 덕분에 하나의 소자가 필요에 따라 시냅스나 뉴런, 원하는 기능을 선택해 쓸 수 있다. 

*바나듐 산화물 멤리스터: 전압에 민감하게 반응하는 ‘바나듐 산화물’ 소재를 활용하여 데이터를 저장과 처리하도록 만든 차세대 지능형 반도체 소자

연구진이 개발한 소자를 바둑판 배열(크로스바 어레이)로 집적해 성능을 확인한 결과, 시냅스 기능을 하는 소자가 뉴런 기능을 하는 소자의 신호 크기와 발생 빈도에 영향을 주는 시냅스-뉴런 연계 동작도 확인됐다.

나아가 이 소자를 바탕으로 인간의 뇌처럼 작동하는 저전력 인공지능 신경망(스파이킹 신경망, SNN)을 구축한 뒤 검증했다. 소자의 시냅스 기능이 가위바위보의 특징적 패턴을 학습해 기억하고, 뉴런 기능이 사진을 판별해 정답 신호를 발생시켜 가위바위보 손동작 이미지를 최대 98.38%의 정확도로 분류했다. 이를 로봇 운동 제어 시스템과 직접 연결해, 인식된 이미지에 따라 로봇이 실제 가위·바위·보 동작을 수행하도록 했다.

이번 연구는 단순히 서로 다른 소자를 조합하는 대신, 하나의 재료 내부 구조를 설계해 서로 다른 정보처리 기능을 선택적으로 구현했다는 점에서 의미가 있다. 향후 여러 소자를 연결하고(대규모 어레이) 주변회로와 결합해 사용할 경우, 엣지 AI, 피지컬 AI, 지능형 센서 및 저전력 뉴로모픽 반도체로 확장될 것으로 기대된다. 

*엣지 AI: 클라우드 서버를 거치지 않고 단말기 자체에서 곧바로 정보를 처리하고 판단하는 인공지능 

본 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인에 8월 17일 게재됐다.

*논문명: Structure-Engineered Nanoporous Vanadium Oxide Memristors for Reconfigurable Synapse–Neuron Integration and Synergistic Robotic Motion

*DOI: 10.1002/adma.74670

*URL: https://doi.org/10.1002/adma.74670

이번 연구는 고려대학교, KIST, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) KU-KIST융합대학원 박관영 박사과정(제1저자), KU-KIST융합대학원 왕건욱 교수(교신저자)