포항공대 연구팀, 인체 뇌 모사한 차세대 컴퓨팅 ‘뉴로모픽 칩’ 개발
포항공대 연구팀, 인체 뇌 모사한 차세대 컴퓨팅 ‘뉴로모픽 칩’ 개발
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광 반응성 기반 인공 시냅스에 강유전체 도입해 신호세기 조절
이장식 포항공대 교수
이장식 포항공대 교수

[한국대학신문 김의진 기자] 0과 1이라는 디지털 신호 기반의 컴퓨터 칩은 메모리소자와 연산소자가 별개여서, 소자 간 정보전송 과정에서 병목현상이 생긴다. 반면 우리 뇌는 기억과 연산을 동시에 수행하는 아날로그 방식이다. 이처럼 정보의 저장과 처리가 동시에 수행되는 뇌의 시냅스를 모사한 뉴로모픽 칩이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 이장식 포항공대 여구팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어하고, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 4일 밝혔다.

뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 소비전력이 낮아 주목받는다. 하지만 광반응성 제어에 한계가 있어, 외부자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성을 모사하기 어려웠다.

이에 이장식 포항공대 연구팀은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연 산화물 IZGO) 층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물을 적층해 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다.

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.

이 과정에서 분극돼 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용, 산화물 반도체에서의 전자 재결합을 제어, 소자의 신호전달 세기를 제어한 것이 이번 성과의 핵심이다. 이 결과 신경세포 간 연결강도라 볼 수 있는, 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화가 20배 이상 증가했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 《어드밴스드 머티리얼즈》에 지난달 13일 게재됐다.


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