사람의 두뇌 같은 ‘삼차원 인공지능 칩’ 첫 개발

최우영 교수 "인간과 더 잘 교감"

국내 연구진이 반도체와 나노 기계의 융합 기술을 이용한 삼차원 인공지능 반도체 칩 원천 기술을 개발했다.

미래창조과학부와 한국연구재단은 최우영 서강대 교수 연구팀이 반도체와 나노기계의 융합 기술을 이용해 인간의 뇌와 유사한 기능을 매우 낮은 에너지로 수행할 수 있는 ‘삼차원 인공지능 반도체 칩’을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

반도체 칩의 원형이라고 할 수 있는 폰노이만(Von Neumann) 방식은 단순한 작업을 빠르고 효율적으로 해내는 것에는 우수하지만, 유연성, 적응력, 진화, 학습 등 인간의 뇌와 같은 기능을 하기에는 한계가 있다.

최근 인간의 뇌를 모사해 감각, 인지, 상호작용 등을 할 수 있는 인공지능 반도체 칩을 무인자동차, 스마트로봇 등의 분야에 적용하기 위한 연구가 IBM, 구글e, 유럽연합 등 전 세계에서 활발하게 진행되고 있다.

삼차원 인공지능 반도체 칩의 개략도

전자회로에서 신호전달 스위치 역할을 하는 ‘나노기계’를 인간의 뇌 모양과 유사한 3차원 형태로 집적하기 위해서 연구팀은 그동안 새로운 구조와 전압레벨에 대한 연구를 지속적으로 실시했고, 특히 전기와 기계의 상이한 연구 분야를 통합적으로 해석할 수 있는 모델링을 구축해 왔다.

이를 통해, 기존의 이차원 상보형 금속 산화물 반도체 회로에나노기계 회로를 삼차원으로 집적하는데 세계 최초로 성공함으로써, 기존 반도체 대비 50% 이하의 매우 낮은 에너지로도 인간의 뇌와 유사한 기능을 수행할 수 있음을 처음 규명했다. 상보형 금속 산화물 반도체 회로는 금속 산화물 반도체 구조를 이용하는 기존의 반도체 회로로써 논리연산과 기억에는 적합하나 인간의 뇌를 모사하는 것에는 집적도 및 에너지 면에서 한계를 보인다.

연구팀이 삼차원 융합 집적 기술을 이용해 개발한 인공지능 반도체 칩은 기존에 이차원으로 집적된 CMOS 회로 기술로 개발된 인공지능 반도체 칩과 비교해 400% 이상 향상된 집적도와 50% 이상 낮은 에너지 소모를 보인다.

이는 반도체를 인간의 뇌와 유사하게 주변 환경이나 사용자의 성향에 따라 스스로 학습하여 기능을 변경하고 진화할 수 있게 하는 세계적인 원천 기술이다.

삼차원 인공지능 반도체 칩은 반도체 칩이 제작된 이후에도 사용자가 칩의 기능을 마음대로 변화시킬 수 있는 고성능/고집적/저전력 현장 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array: FPGA)에 적용 할 수 있고, 국내 비메모리 반도체 산업 발전에도 기여할 것으로 기대된다.

최우영 교수는 “이번 연구를 통해 인간의 뇌를 모사한 삼차원 반도체 인공지능 칩의 원천 기술을 개발함으로써, 인간을 더욱 잘 이해하고 상호 교감할 수 있는 전자기기를 구현에 기여할 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 전자공학분야의 권위 있는 학술지인 미국 전기전자학회 전자소자지(IEEE Electron Device Letters) 9월 1일자에 게재됐다.