과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 원자력연 첨단방사선연구소와 충북대, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 AI 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔다.
최근 우주 탐사 기술 발전에 따라 인공지능(AI)과 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주 방사선 환경을 견딜 수 있는 특성 확보가 핵심 과제로 떠오르고 있다.
이에 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.
연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연 양성자가속기를 이용해 33메가전자볼트(MeV)급 고에너지 양성자 빔을 조사했다. 조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준 우주 방사선에 20년 이상 노출된 것과 같은 수준으로 했다.
조사 이후 소자 특성을 재평가한 결과 소자 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰됐으나, 반도체 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자 핵심인 시냅스 가소성(뉴런 연결 강도 조절 능력)은 안정적으로 유지됨을 확인했다.
특히 방사선 노출 상태에서 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 '뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식)'에서 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다.
또 시계열 정보 처리에 적합한 '레저버 컴퓨팅' 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증함으로써 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했다.
연구팀은 이번 연구가 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명한 데 의미가 있다고 설명했다.
연구팀은 “향후 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가 연구하고, 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화할 계획”이라며 “뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나갈 예정”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)'에 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
