KIMS, 차세대 뉴로모픽 반도체 핵심소재 개발

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뉴로모픽 소재 고도화로 AI 반도체 기술 현실화

차세대 뉴로모픽 반도체 핵심 소재를 개발한 권정대, 김용훈 KIMS 연구원(왼쪽부터)
<차세대 뉴로모픽 반도체 핵심 소재를 개발한 권정대, 김용훈 KIMS 연구원(왼쪽부터)>

한국재료연구원(KIMS·원장 이정환)이 인공지능(AI) 반도체 기술 상용화를 앞당길 수 있는 신소재를 개발했다.

한국재료연구원은 권정대·김용훈 에너지전자재료연구실 연구팀이 조병진 충북대 교수팀과 공동으로 차세대 뉴로모픽(신경 네트워크 모방) 반도체 핵심소재를 국내 처음으로 개발했다고 18일 밝혔다.

이 핵심소재는 수 나노미터 두께의 2차원 나노소재로, 이를 이용하면 신개념 멤트랜지스터(메모리+트랜지스터) 소자를 구현할 수 있다.

연구팀은 1000번 이상의 전기자극으로 차세대 뉴로모픽 시냅스의 전기적 가소성을 모방해 94.2%(시뮬레이션 기반 패턴 인식률 98%)의 높은 패턴 인식률을 얻는 데 성공했다.

뉴로모픽 반도체 소재인 몰리브덴황은 외부 전계에 의해 단결정 내 결함을 제어하는 원리를 이용해 소자에 적용한다. 하지만 결함 농도나 형태를 정밀하게 제어하기 어려웠다.

연구팀은 산화니오븀 산화물층과 몰리브덴황 소재를 순차 적층해 이 문제를 해결하고, 외부 전계에 의한 높은 전기적 신뢰성을 갖춘 멤트랜지스터 구조 인공 시냅스 소자를 개발했다.

또 산화니오븀 산화물층 두께를 조절해 저항 스위칭 특성을 자유롭게 제어하고, 매우 낮은 에너지로 기억 및 망각 관련 뇌 정보를 처리할 수 있음을 입증했다.

권정대 연구원은 “고신뢰성 신개념 멤트랜지스터 구조 기반 AI 반도체 소자를 상용화하면 회로 집적도를 높이고 구동 에너지는 크게 줄일 수 있다”며 “향후 저전력 에지 컴퓨팅과 웨어러블 AI 시스템에 적용 가능하다”고 말했다.

어드밴스트 펑셔널 머티리얼스 표지 논문 이미지.
<어드밴스트 펑셔널 머티리얼스 표지 논문 이미지.>

현재 AI 하드웨어는 소비전력과 비용 부담이 큰 GPU, FPGA, ASIC가 주를 이룬다. 웨어러블 AI 시장은 2018년 기준 약 115억 달러에서 연평균 성장률 29.75%에 달해 2023년에는 424억 달러에 육박할 것으로 예상된다.

KIMS는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 주요사업으로 이 연구를 진행했다. 연구결과는 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈' 10월 1일자 표지논문으로 게재됐다.

창원=임동식기자 dslim@etnews.com