KIST, 2차원 신소재로 인공 시냅스 반도체 소자 개발

에너지 소모 인간 시냅스 수준..."실리콘 반도체 대체할 고효율 소자 개발 목표"

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 2차원 신소재를 활용한 고효율 인공 시냅스 반도체 소자를 개발했다고 6일 밝혔다.

KIST 인공뇌융합단 곽준영 박사 연구팀은 KAIST 강기범 교수 및 한국화학연구원(KRICT) 정택모 박사 연구팀과 함께 새로운 원소 구성비의 2차원 절연체 신물질을 합성하고, 이 신소재를 활용해 고성능 저전력 인공 시냅스 반도체 소자를 개발했다.

KIST 연구진이 개발한 2차원 신소재 기반 인공 시냅스 소자의 저전력ㆍ고성능 인공 시냅스 특성 (왼쪽) 및 이미지 분류 학습 정확도 테스트 (오른쪽) (자료=KIST)

신경 뉴런을 연결하며 적은 에너지로 신호를 주고받는 시냅스를 모방, 전력 소모가 많은 기존 폰노이만 방식 컴퓨팅의 한계를 극복하는 뉴로모픽 컴퓨팅을 구현하려는 시도다. 2차원 소재는 두께가 원자층 수준이라 반도체 집적도를 높이기에 적합하고, 2차원 물질 자체의 고유한 특성 덕분에 실리콘 소재보다 스위칭과 전하 이동속도가 빠르다는 등의 장점이 있어 주목받고 있다.

연구진은 게르마늄과 셀레늄 소재를 조합한 2차원 반데르발스 절연체 신물질을 만들었다. 이 신물질 절연체와 2차원 반도체의 이종접합 구조를 기반으로 한 시냅스 소자를 개발, 작은 에너지로도 효율적으로 전자가 이동할 수 있게 했다.

이 소자는 시냅스 연결 강도 변화가 균일하고, 외부 자극의 횟수와 세기에 따라 시냅스 연결 강도를 짧게 또는 길게 유지하도록 할 수 있다. 뉴런과 뉴런 사이 신호 강도와 빈도에 따라 신호를 조절하는 뇌를 보다 정밀하게 흉내낼 수 있다. 에너지 소모도 인간의 시냅스와 비슷한 15펨토줄(fJ) 수준이다.

KIST 연구진이 개발한 합성 기술과 2차원 신소재 구조 및 분석 (자료=KIST)

개발한 2차원 인공 시냅스 소자를 기반으로 인공지능 학습을 시도한 결과, 손글씨 숫자 이미지 데이터 (MNIST)의 분류 정확도는 약 88.3%였다. 실제 뉴로모픽 시스템으로 응용할 수 있는 가능성을 확인했다고 연구진은 설명했다.

KIST 곽준영 박사는 "차세대 반도체 개발에 있어 실리콘의 대체재로 사용될 수 있는 고효율 신소재 연구의 중요성이 커지고 있다"라며 "본 연구에서 제시한 2차원 절연체 신물질과 반도체의 이종접합 구조를 기반으로 한 시냅스 소자는 두뇌의 동작 원리를 정밀하게 모사할 수 있는 고차원의 뉴로모픽 하드웨어를 구현하는 측면에서 우수한 경쟁력을 가질 수 있다"고 밝혔다.

이 연구는 KIST 기본연구사업, 한국연구재단 차세대지능형반도체 기술개발사업, 정보통신기획평가원 신개념 PIM반도체 선도기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)' 최신 호에 게재됐다.