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계산하면서 동시에 기억하는 소자 개발

그래핀 이용, 인간 뇌구조 닮은 칩 개발 길 터
신경 닮은 광시냅스 모방소자로 자극 꺼져도 광신호 유지

ETRI, 광 시냅스 모방소자 핵심 기술 개발에 성공

ETRI 연구진이 개발한 광 시냅스 모방소자에 광 신호를 입력하고 있는 모습
ETRI 연구진이 개발한 광 시냅스 모방소자에 전기 신호를 입력하고 광 신호 분석 장비를 활용해서 정밀하게 확인하고 있는 모습

국내 연구진이 신경세포의 시냅스를 인공적으로 재현한 ‘광 시냅스 모방소자’개발에 성공했다. 이로써 향후 인간의 뇌처럼 저장하면서 생각(연산)도 하는 신경모방 광컴퓨팅기술 개발을 위한 초석을 마련했다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 나노 두께의 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 물질중 하나인 그래핀과 광통신 기술을 접목한 광 시냅스 모방소자 핵심 기술 개발에 성공, 미국화학회 나노분야 국제학술지인‘응용재료 인터페이스’(AMI) 온라인에 지난달 17일자에 등재되었다고 28일 밝혔다.

사람의 뇌는 저장부분과 연산부분이 공존하는 형태다. 하지만, 컴퓨터는 저장부분과 연산기가 분리되어 있다. 컴퓨터가 사람의 뇌처럼 저장과 연산부분이 공존케 된다면 정보를 전송시 계산까지 하면서 신속히 보낼 수 있게 된다. 이로써 사람의 두뇌 신경을 모방한 광컴퓨팅이 가능케 되는 원리다. 그동안 연구진은 이러한 뇌를 닮은 컴퓨터 칩개발에 몰두해 왔다. 사람의 뇌가 정보전달의 완벽한 기능을 갖고 있기 때문이었다.
연구진은 이처럼 사람의 뇌구조의 장점을 그대로 가져오기 위해 전기적 또는 광학적인 자극에 의한 광 스위칭 소자의 이력현상을 제어하려 노력해 왔다.

먼저, 전기적인 방법에 착안해 저항을 바꿔가면서 신호를 줄 경우 저항을 인식해 계산이 가능토록 만들었다. 하지만 회로가 복잡해지자 간섭이 생겨 집적도를 높이는데 한계가 생겼다. 그래서 연구진은 광학적으로 접근했다. 전기회로를 광회로로 바꾼 것이다. 이를 통해 광저항성 메모리가 만들어 졌다. 이력현상을 활용해 빛의 다양한 파장을 통한 연산도 가능토록 했다. 연구진이 만든 광메모리 소자는 20㎛ x 20㎜수준이다. 향후 수백 나노미터(㎚) 수준으로 개발하고 이를 칩 형태로 고집적할 예정이다.

전자형 시냅스 모방소자의 한계와 달리 광 시냅스 모방소자는 채널간 간섭이 없고 소비전력이 낮다. 또한 빛의 다양한 파장을 사용할 수 있어 동시다발적인 연산이 가능케 된다. ETRI 연구진이 개발한 이 소자는 향후 정보전송 목적인 광통신에 칩 형태로 내장되어 계산을 하면서 동시에 정보를 보낼 수 있을 것으로 전망된다. 일명 광 시냅스 컴퓨팅, 신경모방 광컴퓨팅이 가능해지는 것이다. ETRI는 이 기술이 상용화 되면 사람이 사물을 보고 인식하는데 걸리는 시간이 통상 0.06초 내외인데 광컴퓨팅이 가능케 되면 저전력은 물론, 인식속도가 훨씬 빨라진다고 설명했다.

따라서 이러한 기술은 패턴인식이나 음성인식 등의 기술진보에 획기적인 전기를 가져올 것으로 보여 진다. 연구진은 본 기술 개발을 위해 그래핀 위에 전도성 액체의 일종인 이온젤을 발랐다. 그리고 수직방향으로 광신호를 보내 전원을 꺼도 정보가 유지되도록 만들었다. 이와 같은 원리는 이온젤에 비밀이 있다. 이온젤 내부에 있는 전자 또는 홀이 전원을 껐음에도 그래핀내에 잡혀 있어 마치 형상을 기억하는 것처럼 출력 정보를 유지하는 것이 가능했다고 연구진은 설명했다.

연구진은 이와 같은 실험을 통해 광저항성 메모리를 제작, 생물학적 시냅스를 흉내낸 광학 소자를 만들 수 있었다. ETRI는 향후 원천기술을 바탕으로 광통신에 접목을 하게 되면 광학적 연산기가 만들어 질 수 있다고 밝혔다. 곧 광컴퓨팅이 가능해 지는 셈이다. ETRI 김승환 바이오의료IT연구본부장은 “개발된 광 시냅스 모방소자는 기존의 초고속 광 통신 기술과 접목하여 생물학적 뇌 기능을 인공적인 광학기술로 모방하는 신경모방 광컴퓨팅 기술 개발을 진행할 예정이다”고 밝혔다.

ETRI 연구진이 개발한 광 시냅스 모방소자를 광 신호 분석 장비를 활용해서 정밀하게 확인하고 있는 모습 (좌로부터 최홍규 선임연구원, 정광효 책임연구원, 김진태 프로젝트 리더)

연구진은 향후 스스로 생각하는 칩을 만드는 것이 최종 목표라고 밝히며  기존 생각하는 로봇들이 이미 프로그래밍화 된 로봇이었다면, 이젠 실제 생각하는 로봇개발이 가능해질 전망이라고 설명했다. 광 시냅스 모방소자를 기반으로 하는 신경모방 광컴퓨팅 기술은 기존의 전기적 시냅스 모방소자에 비해 낮은 간섭, 낮은 소비전력, 높은 집적도 및 빠른 동작 반응 속도를 제공할 것으로 기대하고 있다.
예를 들어 메모리와 연산기가 분리된 기존의 컴퓨팅 방식에서는 사진을 볼 때 픽셀 단위로 인식한다면, 광컴퓨팅 방식은 동시다발적 연산이 가능해 사진 전체를 한 번에 인식할 수 있게 되는 원리다.

향후 ETRI 연구진은 개발된 광 시냅스 원천 소자와 나노 광원, 나노 광검출기 등이 단일 칩 상에 고밀도로 집적된 온-칩 광 시냅스 회로 개발에 집중할 계획이다. 이번 연구논문의 제1 저자는 ETRI 김진태 박사이며 최홍규 박사가 참여했고 성균관대 최용석 박사 과정, 조정호 교수가 공동저자다.

ETRI 연구진이 개발한 광 시냅스 모방소자를 광 신호 분석 장비를 활용해서 정밀하게 확인하고 있는 모습 (좌로부터 김진태 프로젝트 리더, 최홍규 선임연구원)

광 시냅스 모방 소자의 핵심 기술은 

전기적 또는 광학적인 자극에 의한 광 스위칭 소자의 이력현상을 제어하는 것이다. 즉 자극을 멈춰도 광신호의 출력을 일정 시간동안 유지해 광 메모리 기능을 확보하는 것이다. 기존에는 자극 신호를 주면 동작하고, 신호를 주지 않으면 초기 상태로 돌아가는 광소자가 대부분이었다. 하지만 광메모리 소자는 자극 신호를 중지하더라도 출력을 일정시간 기억해 광신호 출력 세기를 유지할 수 있다. 또한 다른 광 파장의 신호가 인가되면 광 출력의 세기가 달리 유지될 수도 있다.
광신호가 유지되는 동안 다른 광신호가 유입이 되면 동시에 여러 가지의 연산이 가능해 연산을 할 수 있는 용량(capacity)이 늘어날 수 있다.
그래핀을 기반으로 하는 전자소자들은 일반적으로 예측 가능한 출력을 확보하고자 이력현상을 최소화하는 방향으로 기술 개발에 집중한다.
연구개발을 주도한 ETRI 김진태 박사는 이온-젤을 이용해 전자들의 이동도를 낮춰 그래핀의 전하밀도를 정밀하게 제어함으로써 광 신호의 크기 변화에 이력현상이 발생할 수 있도록 광 스위치 소자를 디자인했다. 또한 전기적으로 광 출력 세기를 세밀하게 조절함으로써 광 이력현상을 극대화하는데 성공했다. 이온-젤과 그래핀 경계면에서 유도되는 이온밀도를 적절히 조절함으로써 자극이 꺼졌을 때도 광신호가 일정시간 유지될 수 있도록 했으며, 반대 자극을 줬을 때는 일반적인 수준과 같이 소자가 초기화되는 기술을 확보했다. 특히 개발된 광 시냅스 모방소자는 기존의 광통신소자와 호환이 가능해 기존 광통신소자들과 연결할 수 있다. 또한, 그래핀과 광통신 소자들은 기존의 전자소자와 쉽게 결합이 가능해 전기신호과 광신호를 동시에 활용할 수 있는 새로운 광전자 소자 개발에도 널리 활용될 것으로 예상된다.

 <그림 . 광 시냅스 모방소자의 개념도 및 광 출력 특성>

 시냅스와 시냅스 모방 소자란

시냅스는 신경세포와 신경세포를 연결해주는 축삭의 말단(out) 수상돌기 말단(in)을 통칭한다. 시냅스를 촉진 시키거나 강화시키면, 시냅스에서 신경전달물질을 더 많이 분비하거나, 신경전달물질과 결합하는 수용체의 수가 더 많아져서 시냅스가 활성화된다. 이런 이유로 정보를 더 오래 기억할 수 있게 되고, 오랫동안 반복학습을 하면 시냅스 수가 증가해 특정기능이 발달하는 현상을 만들어 낸다. 전자형 시냅스 모방소자의 한계와 달리 광 시냅스 모방소자는 전기 신호가 주는 간섭 등을 빛의 파장으로 극복해 동시다발적인 연산이 가능하다.

ETRI 홍보실 제공 

 

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