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국내 연구진, 광신호 체계 활용한 뉴로모픽 소자 설계 성공서울대 박남규 교수팀, “신호단위로 빛 활용…발열·설계제약 없어 활용성 높아”
(자료사진) 사진은 화웨이의 신경망처리(NPU) 칩셋인 기린970 [ITBizNews DB]

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 인간 두뇌의 신경계를 모방한 뉴로모픽 칩이 주목받고 있다. 고성능컴퓨팅(HPC) 자원을 활용하지 않고도 인공지능(AI) 구현이 가능한 초고속·저전력성이 강점으로 활용처가 많아 전세계적으로 기술연구도 활발히 진행되는 가운데, 국내 연구진이 신호단위로 빛을 활용하는 ‘뉴로모픽 광(光)뉴런 소자’ 설계에 성공했다.

서울대학교 박남규·유선규·박현희 박사연구팀에 따르면, 두뇌의 기본 단위인 뉴런의 동작을 빛의 흐름으로 모사하는 데 성공했다. 뉴런은 반도체에 탑재되는 트랜지스터와 같은 역할을 하는 신경계의 단위 프로세서라고 할 수 있다.

뉴로모픽은 생물학적 신경계 시스템에서의 신호처리를 반도체와 같은 하드웨어 시스템으로 모사하는 것을 말한다. 뉴로모픽 칩은 뉴런의 동작과 네트워크 자체를 하드웨어적으로 모사한 칩이다.

뉴로모픽 칩은 관련 시장이 10년 간 20.7%의 연평균성장률이 예상되는 차세대 반도체 기술이다. 고성능 컴퓨팅파워가 요구되는 클라우드 기반의 인공지능(AI) 시스템과 달리 지능형 스마트가전, 자율주행자동차와 엣지 컴퓨팅 시스템 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있다.

기술의 활용처가 높아 성장 가능성도 높다. 퓨처마켓인사이트에 따르면 2026년 기준으로 뉴로모픽칩 시장이 108억1000만달러에 달한다.

반도체 미세공정기술이 발전하고 있으나 필연적으로 발생하는 발열문제, 또 공정기술의 한계에 달하면서 기존 공정기술이 적용된 뉴로모픽 칩 개발에도 제한요소로 지적돼 왔다. 연산단위를 전자가 아닌 빛(光)으로 하는 뉴로모픽 칩의 경우 발열이 없고 고속·저전력성이라는 장점으로 프린스턴, MIT와 같은 유수 대학을 중심으로 연구가 활발히 진행 중이다.

박남규 박사 연구팀에 따르면, 빛을 활용한 뉴런 소자설계에 ‘패리티-시간대칭(Parity-Time Symmetry)’이라는 물리적인 대칭성을 만족하는 증폭·손실물질을 활용했다. 

패리티-시간대칭은 어떤 시스템에 공간상 반전과 시간축의 역전을 동시에 가했을 때 해당 시스템이 원래 시스템과 동일한 경우를 나타내는 대칭성을 뜻한다. 이를 만족하면 에너지의 득실이 있더라도 전체 에너지 상태는 안정적이라고 알려진 물리학 이론이다.

여기에 연구팀은 시간 대칭성을 제어하는 비선형성을 추가한 메타물질을 활용, 단위뉴런의 연산처리를 광신호처리로 모사·재현하는 데 성공했다고 밝혔다. 전자를 활용한 신호의 안정성과 같은 관련 기술 개발에서의 핵심과제를 빛의 흐름으로 구현할 수 있음을 확인했다는 설명이다.

연구를 주도한 박남규 교수는 “이번 연구에서는 생물학적 구조의 동작 원리를 물리적 대칭성을 통해 해석하고, 이를 이용해 새로운 광학 소자를 설계하는 다학제적인 접근 방식을 적용했다”며 “뉴로모픽 회로의 단위 소자인 뉴런의 기능을 빛을 신호 전달체로 구동할 수 있게 함으로써 초고속 뉴로모픽 소자 개발에 전기가 될 것으로 기대한다”고 소감을 밝혔다.

이번 연구성과는 과기정통부 글로벌프런티어사업과 교육부 대통령Post-Doc.펠로우십 과제(PPD) 사업, 해외우수신진연구자유치사업(KRF)의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=12.441) 온라인판에 6월3일자로 게재됐다.

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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