조정호 교수팀, 인공지능 소자의 물리적 학습 기술 구현

단순 구조의 뉴로모픽 프로세서 제작

인공지능 기술의 웨어러블 디바이스 적용 기대

[사진. 조정호 교수]

공과대학 화공생명공학과 조정호 교수와 캘리포니아공과대학 의공학과 웨이가오 교수 연구팀은 인간 뇌의 기능을 전자칩을 통해 모사하는 ‘뉴로모픽(neuromorphic) 칩’의 효율과 활용성을 높일 소자 제작 및 학습 기술을 구현했다. 광 가교제 반응을 통해 인공 시냅스 소자의 장기 가소성 특성을 반복된 학습 없이도 물리적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.

인간 뇌는 1,000억 개의 뉴런 신경세포들과 이들 사이에서 신호전달 역할을 담당하는 100조 개의 시냅스 신경세포들로 이뤄져 있다. 시냅스는 뉴런 세포의 활동에 따라서 신경신호를 생성, 강화, 약화하거나 소멸시키는 역할을 한다. 즉, 시냅스는 신경망에서 데이터 처리 장치와 기억 장치의 역할을 동시에 수행하고 있다. 

이와 관련해 인간 뇌의 데이터 처리 구조인 시냅스의 가소성(plasticity)을 모사해 뇌처럼 학습할 수 있는 ‘뉴로모픽 칩’에 대한 연구가 활발하다. 뉴로모픽 칩은 전기적 신호의 흔적(기억)을 토대로 비정형 데이터의 패턴을 인식하고 처리할 수 있기 때문이다.

기존 인공 시냅스 소자는 인체 시냅스와 같이 단기 가소성(Short-term plasticity)과 장기 가소성(Long-term plasticity) 특징을 모두 보이며, 뉴로모픽 칩을 비롯한 각종 인공지능 장치에서 데이터 처리 장치 및 기억 장치 역할을 동시에 수행하고 있다.

하지만 소자가 장기 가소성 특성을 보이기 위해서는 반복된 전기 자극이나 높은 입력 전압이 필요하다. 이는 인공지능 장치의 전력 소모량 증가, 처리 속도 지연 및 방대한 사전 입력 데이터의 필요로 이어질 수 있다.

이에 연구팀은 고분자 가교제를 활용해 유기 반도체 채널 사이에서 이동하는 이온의 거동을 제어함으로써 반복 학습 이후 나타나는 인공 시냅스 소자의 장기 가소성 특징을 물리적으로 구현해 내는 데 성공했다.

핵심은 고분자의 광 가교 반응을 통한 고분자 반도체의 자유 부피 제어이다. 이온-젤을 활용한 고분자 반도체 소자의 전기적 특성은 이온이 고분자 채널의 자유 부피를 통해 이동함으로써 나타나는데, 광 가교제 분자를 고분자 사슬에 결합해 이온 이동을 물리적으로 제어한 것이다.

나아가, 연구진은 물리적으로 구현된 장기 특성 인공 시냅스와 단기 특성 인공 시냅스를 조합해 상황에 따라 다르게 동작할 수 있는 논리회로를 제작하고 여기에 단순화된 헬스케어 알고리즘을 이식했다. 인공지능 장치를 단순화하는 한편, 웨어러블 헬스케어 기술의 대중화를 향한 실마리도 발견한 것이다.

[그림. 선택적 광 가교 반응을 통한 메모리 시냅스 소자 아날로그 신호 처리 회로 제작 기술. (위) 선택적 광 가교 반응을 통해 원하는 소자를 물리적으로 단기 가소성 시냅스와 장기 가소성 시냅스로 구분 지을 수 있다. 나아가 이를 통해 아날로그 신호 처리 프로세서를 제작했다. (아래) AND와 OR 논리연산 사이의 기능을 스위칭할 수 있는 아날로그 프로세서에 간략화된 진단 알고리즘을 이식해 웨어러블 헬스케어 시스템에 응용 가능함을 확인했다.]

조정호 교수는 “이번 연구는 대면적 용액 공정이 가능한 고분자 반도체와 이온-젤을 이용하므로, 인공지능을 활용한 다양한 전자기기로의 폭넓은 응용에도 유리할 것”이라고 연구 의의를 전했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노및소재기술개발사업과 BrainLink사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 5일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Physically defined long-term and short-term synapses for the development of reconfigurable analog-type operators capable of performing health care tasks

● 논문주소: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg5946

용어설명

● 고분자 반도체: 전자 및 전기 전달에 사용되는 반도체 소재 중 하나로, 유기 화합물로 구성돼 있다. 기계적 유연성과 가벼움을 바탕으로 유연 디스플레이, 웨어러블 장치 등 다양한 응용 전자 장치에 활용될 가능성이 충분하다. 또한 고분자 반도체의 제조 방법은 비교적 간단하며 대량 생산이 가능하므로 상업적으로도 유망한 소재로 인정받고 있다.

● 이온-젤: 흐르지 않는 고체상의 전해질로 물성 조절이 용이해 웨어러블 소자 등의 소재로 주목받는다. 기존 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)에서 위치가 고정된 산화막 절연층이 전압에 의한 전기분극을 발생(전계효과)시켜 반도체를 켜고 끄는 것(게이팅)과 달리, 이온이 이동하면서 반도체의 전류량을 제어할 수 있다.