서울대 연구진, '빛의 속도로 동작' AI 소자 설계 성공..."기존 반도체 한계 뛰어 넘어"

노현주 기자 / 기사승인 : 2019-06-04 13:56:45
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[일요주간=노현주 기자] 국내연구진이 4차 산업혁명의 핵심적 기술인 인공지능(AI) 구현을 위한 뉴로모픽 광 뉴런 소자설계에 성공했다.

4일 과학기술정보통신부에 따르면 서울대 박남규 교수와 유선규·박현희 박사 연구팀이 고속 연산 AI 구현을 위해 두뇌의 기본 단위인 뉴런의 동작을 빛의 흐름으로 모사하는 데 성공했다.
   

▲ (아래쪽) 생물학적 뉴런의 원리 (위쪽) 빛으로 구동되는

광학 뉴런의 원리.(과학기술정보통신부 제공)

과기정통부 관계자는 “이는 기존 반도체의 한계를 뛰어넘는 초고속-저전력 뉴로모픽 반도체 소자 개발의 전기가 되는 연구 성과”라며 “세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=12.441) 온라인판에 3일 게재됐다”고 밝혔다.

우리 뇌의 뉴런 세포는 전자회로의 트랜지스터와 같은 역할을 하는 신경계의 단위 프로세서라고 할 수 있다.

뇌의 학습과 기억 능력은 뉴런 각각의 신호 처리 기능이 복잡한 신경망 네트워크를 통해 연계돼 구현된다.
 
최근 주목받는 딥러닝 기반 AI 기술은 두뇌의 뉴런 네트워크를 컴퓨터 프로그램을 통해 소프트웨어적으로 모사한 것으로 안정적·효율적으로 AI를 구현하기 위해서는 소프트웨어적 접근 이외에 뉴런의 동작과 네트워크 자체를 하드웨어적으로 모사한 AI 전용 뉴로모픽 칩의 개발도 필수적이다.
 
뉴로모픽(Neuromorphic) 기술은 생물학적 신경계 시스템에서의 신호 처리를 반도체 및 광학 분야 등의 하드웨어 시스템을 통해 모사하는 기술을 의미한다.

연구진은 패리티-시간 대칭이라는 특이한 물리적 대칭성을 만족하는 증폭·손실 물질에 시간 대칭성을 제어하는 비선형성을 추가한 메타물질을 활용해 단위 뉴런의 다양한 연산 기능들을 광학적인 신호처리로 모사, 재현하는 데에 성공했다.

패리티-시간 대칭(Parity-Time Symmetry)은 어떤 시스템에 공간상 반전과 시간 축의 역전을 동시에 가했을 때 해당 시스템이 원래 시스템과 같은 경우를 나타내는 대칭성이다.
 
해당 대칭을 만족하면 시스템 내에서 에너지의 이득이나 손실이 있더라도 전체 에너지 상태는 안정적일 수 있다고 알려져 있다.

비선형성(Nonlinearity)은 입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 특성이다. 빛은 전자기파의 특성을 결정하는 맥스웰 방정식에 따라 선형적 특성을 가지지만, 빛 전파 매질의 특성 및 빛의 세기에 따라 비선형성을 가질 수 있다.

메타물질(Metamaterial)은 인위적 매질의 배열 구조를 통해 자연계에 존재하지 않은 특성을 가지도록 설계된 물질이다. 투명망토 등에 응용된다.

연구진은 빛의 세기에 따라 입력값과 출력값이 달라지는 비선형성을 갖는 메타물질을 개발하고, 이를 두뇌 내 뉴런과 같은 나트륨 채널과 칼륨 채널에 대응해 뉴로모픽 광소자에서의 신경 신호 처리를 광속으로 구현하는데 성공했다.

과기정통부 관계자는 “특히 전기 신호가 외부 잡음에도 흔들림 없이 안정적 세기를 유지하는 등 뉴로모픽 및 두뇌 모사 메모리 소자에서 필요로 하는 다양한 기능들을 빛의 흐름으로 구현할 수 있음도 이론적으로 확인했다”며 “이는 세계 최초로 빛의 속도로 동작이 가능한 초고속 뉴런 모사 광소자의 설계 개념을 정립한 것”이라고 말했다.

연구를 주도한 박남규 교수는 “이번 연구에서는 생물학적 구조의 동작 원리를 물리적 대칭성을 통해 해석하고, 이를 이용해 새로운 광학 소자를 설계하는 다학제적인 접근 방식을 적용했다”고 설명했다.

이어 “뉴로모픽 회로의 단위 소자인 뉴런의 기능들을 빛을 신호 전달체로 해 구동할 수 있게 함으로써 초고속 뉴로모픽 소자와 AI 개발에 전기가 되는 것은 물론, 구현된 각 기능들은 높은 안정성을 갖는 레이저 등에도 응용이 가능하다”고 덧붙였다.

 

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