전기 대신 ‘빛’으로 작동하는 AI 칩 세계 첫 구현...전력 30%↓, 정보량 9배↑

기존의 양자점 기술로는 빛의 방향성과 자기 성질을 동시에 구현하기 어렵다.

양자점이 대칭적인 구조를 갖고 있는 반면, 빛의 방향성은 비대칭성을 띠는데다 자기 성질과 충돌하기 때문에 이의 통합에는 구조 충돌 등 물리, 화학적 한계가 생긴다.

KAIST 연구진이 이 해답을 '카이럴 양자점'에서 찾았다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 빛에 의해 비대칭 반응하는 카이랄성과 자성을 동시에 갖는 특수 나노입자인 양자점(CFQD)을 세계 최초로 개발했다고 25일 공개했다.

이 양자점 기술은 사람의 뇌처럼 정보를 보고, 판단하고, 저장하고, 지우는 기능을 하나의 소자에 담을 수 있다. 고성능 AI 하드웨어에 적용 가능하다.

연구진은 이 양자점 기술로 저전력 인간 뇌 구조와 작동 방식을 모방한 인공지능 뉴로모픽 소자(ChiropS)인 광 시냅스 트랜지스터를 구현하는데 성공했다고 덧붙였다.

편광 구분, 멀티 파장 인식, 전기 소거 등 다양한 기능을 하나의 소자에 집약했다.

향후 고속·고지능·저전력 AI 시스템은 물론, 광 암호화, 보안 통신, 양자 정보처리 등에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 연구진은 기대했다.

카이랄 자성 양자점은 은황화물(Ag₂S) 기반의 무기 나노입자에 카이랄 유기물(L-또는 D-시스테인)을 합성한 것으로 빛의 편광 방향(원형 편광)에 따라 서로 다르게 반응한다. 405, 488, 532㎚ 등 가시광 전 영역에서 다채널 인식이 가능하다.

또한, 물을 기반으로 친환경적으로 합성한 것도 장점이다.

뇌처럼 학습 및 망각 기능 동시 구현 가능

연구팀은 또 실리콘 위에 카이랄 자성 양자점을 활용해 은황화물층과 유기 반도체 펜타신을 적층한 시냅스 트랜지스터도 제작했다.

이 소자는 빛을 받으면 장기기억 특성(LTP)을 나타내고 전기 펄스를 입력하면 초기화 된다. 뇌처럼 학습과 망각 기능을 동시 구현하는 것이 가능하다.

또한, 반복적인 짧은 광 펄스(레이저 빛)을 비추면 점진적으로 전류가 누적되어 멀티 레벨 상태를 형성한다. 이는 뇌처럼 인공지능이 학습하게 하는 시냅스 가중치 조절과 유사하다. 다중 학습도 가능하다는 의미이다.

연구진은 2×3 소자 어레이를 제작해 서로 다른 편광과 파장의 빛을 각각 비추었을때, 각 소자의 응답 전류가 뚜렷이 구분되는 것을 확인했다.

6개의 채널을 통해 총 9개의 정보를 병렬로 감지하고 처리한다. 기존 시스템 대비 최소 9배 이상의 정보 처리 효율을 나타냈다.

스마트 센서처럼 반응...자동 필터링 역할도

이 소자는 빛(광)을 일정하게 받아도 복잡한 판단을 해주는 스마트 센서처럼 반응한다. 잡음(노이즈)을 걸러내고 신호를 증폭할 수 있는 기능을 소자 자체에 내장하고 있는 것처럼 자동 필터링 역할을 한다.

실제 손글씨(MNIST) 데이터에 잡음과 같은 가우시안 노이즈를 추가하고 소자에 통과시킬 경우, 고주파 잡음이 줄고 핵심 정보만 살아남는 효과를 확인했다.

연구진은 이를 통해 기존 컴퓨팅 기술 대비 최대 30% 적은 전력으로 구동이 가능했다고 설명했다.

염지현 교수는 "단일 소자에 감지(보기), 처리(판단), 기억(저장), 초기화(지우기) 기능을 통합할 수 있어 향후 고성능 인공지능 하드웨어를 더 작고 효율적으로 만들 가능성도 높다. 저전력·고정밀 AI 시스템을 위한 혁신적인 플랫폼이 될 것"으로 기대했다.

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