인간 뇌 신경세포 본뜬 소자 개발…집적도 높여

연세대·성균관대 연구팀, 인공 시냅스 소자 구현

한국연구재단은 연세대 조정호 교수와 성균관대 박진홍 교수 연구팀이 인간 뇌 신경세포를 닮은 인공 시냅스 소자를 구현했다고 17일 밝혔다.

4차 산업혁명 시대에 사진이나 영상과 같은 비정형 데이터가 급증하면서 이를 처리할 하드웨어 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

IBM, 인텔, 삼성 등 세계 주요 기업들은 이를 처리할 인공지능(AI) 컴퓨팅 기술을 구현하기 위해 뉴로모픽 칩 연구에 많은 투자를 하고 있다.

뉴로모픽 칩은 사람의 뇌 시냅스 구조를 모방해 사람 사고 과정과 비슷한 방식으로 정보를 처리하도록 고안한 반도체다.

인간의 뇌는 1천억개의 뉴런(신경세포)과 이를 연결하는 100조개의 시냅스로 이뤄져 있는데, 시냅스는 뇌 신경망에서 데이터를 처리하는데 핵심적인 역할을 한다.

연구팀은 뉴로모픽 칩의 집적도를 높인 수직 이온 젤 트랜지스터 소자를 개발했다.

3단자인 트랜지스터 소자는 기존 멤리스터 소자(2단자)에 비해 정보를 읽는 단자와 쓰는 단자가 분리돼 안정적으로 구동이 가능하나, 회로가 복잡해지고 부피가 커지는 단점이 있다.

이는 처리 속도 지연과 소모전력 증가로 이어질 수 있다.

연구팀은 3개의 전극을 서로 교차해 집적화함으로써 이 같은 문제를 해결했다.

흐르지 않는 전해질인 이온 젤을 게이트 절연체로 도입해 반도체 채널의 전류량을 조절할 수 있도록 했다.

제안된 이온 젤 트랜지스터 소자의 전류량 변화는 인체의 ‘시냅스 가소성'(synaptic plasticity·신경세포 간 정보 전달이 이뤄지는 부위인 시냅스에서 외부 자극에 대응해 신호를 유연하게 바꿔 전달하는 과정) 특성과 매우 비슷한 것으로 나타났다.

조정호 교수는 “이온 젤 트랜지스터 소자는 구동 전압이 낮고 기계적으로 유연하며, 시냅스 신호도 안정적”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 지난 14일 자에 실렸다.

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