서울대 연구진, 빛의 속도로 동작하는 인공지능 소자 개발

박남규 교수 "저전력·초고속 소자 개발 마련 전기"

뉴런 '이온채널' 대응해 '메타물질' 적용…광속 신호 구현

국내 연구진이 빛의 특성을 이용해 인간의 뇌 구조를 하드웨어적으로 본딴 인공지능 소자 설계에 성공했다. 

서울대학교 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사 연구팀은 두뇌의 기본 단위인 뉴런을 빛의 흐름으로 모사하는데 성공했다고 4일 밝혔다.

우리 뇌는 가장 기본 단위인 뉴런이 내보낸 신호를 신경망 네트워크를 통해 연계함으로써 학습과 기억 능력을 구현한다. 뉴런은 전기·화학적 신호를 주고받으며 정보를 처리하고, 이 화학적 신호는 세포막에 있는 '이온 채널'을 통해 조절된다. 최근 각광받는 딥러닝 기반 AI 기술은 뉴런 네트워크를 소프트웨어적으로 모사한 것이다.

그러나 소프트웨어만으로 AI를 구현하는 경우 현재의 중앙처리장치(CPU) 및 컴퓨터 구조로는 속도 저하와 전력 소모 등의 문제를 야기하게 된다.

특히 반도체 전자회로 나노공정이 한자릿수까지 미세화됨에 따라 발열과 속도의 한계가 나타나고 있다. 이는 반도체 소자 성능 향상을 제약하는 요소로 뉴로모픽 반도체 전자회로 구현에도 제한요소가 될 것으로 예상된다.

이를 해결하기 위해서는 뉴런의 동작 자체를 하드웨어적으로 모사하는 '뉴로모픽 칩'의 개발이 필수적이다. 이미 인텔, 삼성전자, 퀄컴 등 유수의 반도체 기업들과 MIT, 스탠퍼드 등 세계적인 연구소들은 뉴로모픽 전자회로 개발 경쟁에 뛰어들었다.

이번 연구는 뉴런이 신호를 세포 안팎으로 전달하는 이온 채널에 대응되는 광학 매질을 찾았다는 데 의의가 있다. 연구진은 빛의 세기에 따라 입력값과 출력값이 달라지는 '메타물질'을 개발하고, 이를 뉴런의 이온 채널에 대응시켜 신경 신호 처리를 광속으로 구현하는 데 성공했다. 기존 광학 뉴로모픽 소자들은 빛의 비선형적인 현상에서 '뉴런의 동작과 비슷한 현상'을 찾는 방식이었다.

특히 전자가 아닌 '빛'으로 연산하는 뉴로모픽 소자는 발열이 없는 저전력·초고속 동작이 가능하다. 

다만 이번 연구는 아직까지 설계 단계다. 이론적으로는 외부 잡음에 흔들림 없이 전기신호의 세기가 안정적으로 유지된다는 것을 확인했다. 

연구를 주도한 박남규 교수는 "이번 연구는 생물학적 구조의 동작 원리를 물리적 대칭성을 통해 해석하고 새로운 광학 소자를 설계하는 다학제적 접근 방식을 적용했다"며 "빛으로 신호 전달체를 구동할 수 있게 함으로써 초고속 뉴로모픽 소자와 인공지능 개발의 전기가 되며 향후 안정성을 갖는 레이저 등에도 응용 가능하다"고 설명했다.

이번 연구성과는 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 온라인판에 게재됐다.

 

[사진=과기정통부]