KAIST, 뉴로모픽 핵심 멤리스터 소자 신기술 및 어레이 개발

"로봇 촉각, 인공 귀 등 인공 뉴런 필요한 다양한 분야에 활용"

KAIST(총장 이광형)는 뇌 뉴런 세포의 동작을 모사하는 고신뢰성 차세대 저항 변화 소자(멤리스터) 어레이를 개발했다고 7일 밝혔다. 

멤리스터(Memristor)는 입력 전압의 크기와 길이 등에 따라 소자 내부의 저항 값이 바뀌며 정보를 저장하거나 처리하는 소자다. 들어오는 신호의 크기와 주파수에 따라 스파이크 발산 여부를 결정, 에너지 효율을 높이는 뇌 신경망을 흉내낸 뉴로모픽 컴퓨팅을 구현할 핵심 소자로 꼽힌다. 

최신현 전기및전자공학부 교수 연구팀은 점진적 산소 농도를 갖는 금속산화물을 이용한 멤리스터를 개발, 이를 바탕으로 안정성과 신뢰성이 높은 인공 뉴런 어레이를 만들었다. 

본 연구에서 제작한 인공 뉴런 소자 어레이와 인공 뉴런 구현 결과, 그리고 이를 바탕으로 새로운 단백질을 생성하는 뉴로모픽 컴퓨팅 구현 개념도. (자료=KAIST)

기존 멤리스터 소자는 안정성과 수율 문제로 대용량 인공신경망 컴퓨팅 시스템 구현이 어려웠다. 절연체 내부에서 저항 변화를 일으키는 전도성 필라멘트가 마치 번개와 같이 무작위적으로 생성되고 사라지며 동작하기 때문에 제어하기 힘들어 신뢰성이 낮다. 

최신현 교수 연구팀은 필라멘트가 아니라 산소 이온의 점진적 이동을 활용해 멤리스터를 구현했다. 필라멘트의 무작위 형성과 붕괴가 없어 높은 신뢰성을 보였다. 자가 정류 특성과 높은 수율도 장점이다. 이어 400개의 인공 뉴런 소자를 100% 수율의 크로스바 어레이 형태로 집적하는데 성공했다. 

연구팀은 제작한 인공 뉴런 어레이 기반 뉴로모픽 시스템을 이용해 항균성 단백질 아미노산 서열을 학습하고, 이를 바탕으로 새로운 항균성 단백질을 만들어내는 뉴로모픽 시스템을 구현했다.

제1저자인 박시온 석박통합과정 연구원은 "이번에 개발한 고신뢰성 인공 뉴런 소자는 안정적 특성과 높은 수율을 바탕으로 차세대 멤리스터 기반 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 구현에 기여할 수 있을 것"이라며 "촉각 등을 감지하는 로봇의 인공 신경계, 시계열 데이터를 처리하는 축적 컴퓨팅 등 다양한 응용을 가능케 하여 미래 전자공학의 기반이 될 것으로 기대한다"라고 말했다.

이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '네이처 커뮤니케이션스' 6월호에 실렸다.