사람의 뇌처럼 필요한 정보는 오래 기억하고, 불필요한 정보는 약화시키는 뇌 모방 반도체가 개발됐다.
한국연구재단은 조새벽·양우석 성균관대 교수와 조성호 연세대 교수 공동연구팀이 빛의 파장에 따라 기억 강화와 기억 약화를 각각 독립적으로 구현할 수 있는 새로운 광시냅스 플랫폼을 개발했다고 10일 밝혔다.
광시냅스는 초저전력·고속 동작과 대규모 병렬처리가 가능해 차세대 AI 가속기의 핵심 소자로 평가된다. 하지만 기존 광시냅스는 학습을 강화하는 외우기와 망각을 유도하는 잊기를 같은 스위치로 조절해 와서 두 기능을 독립적으로 제어하기 어려웠고, 학습이 반복될수록 기억이 한쪽으로 치우쳐 과부하가 오거나 정보가 지워지는 문제가 발생했다.
연구팀은 광시냅스 소재의 결함을 오히려 기억의 항상성을 유지하는 수단으로 활용하는 역발상으로 문제 해결에 접근했다. 이번 연구에서의 결함을 가진 소재는 차세대 광반도체 소재인 '은비스무트황화물(AgBiS₂)'로, 원자들이 살짝 어긋나게 배열된 미세한 결함 탓에 전류의 흐름이 느려지는 특성을 갖는다. 빠르고 정확한 반응이 필요한 기존 반도체 소자에서는 단점이지만, 뒤집어 말하면 전원을 꺼도 정보를 기억하는 '천연 메모리'가 될 수도 있다.
이 소재로 만든 반도체 내 금속 이온의 미세한 결함을 정밀하게 조절해 전기 신호를 붙잡아 두는 일종의 창고를 만들었다.
그 위에 근적외선만 선택적으로 흡수하는 분자층을 나노미터 수준으로 적층, 성질이 서로 다른 물질을 맞붙인 구조를 구현했다.
이런 이종접합 구조가 갖는 차이 덕분에 어떤 색의 빛을 비추느냐에 따라 전자의 이동 속도·방향이 달라지는 광시냅스 시스템을 완성했다. 비추는 빛의 색이 곧 외우기, 잊기의 스위치가 되면서 AI 반도체 소자의 기억을 선택적으로 강화하거나 약화시킬 수 있게 된 것이다.
실험 결과 근적외선을 비추면 시냅스가 13배 이상 강해지는 외우기 가속이, 청색광을 비추면 갇혀 있던 전자가 풀려나며 빠르게 약해지는 잊기 가속이 일어났다.
조새벽 교수는 “반도체에서 제거해야 할 결함으로 여겨지던 무질서한 상태를 오히려 AI 하드웨어가 스스로 기억의 균형을 잡는 기능으로 되살린 데 의의가 있다”며, “향후 스스로 학습 균형을 유지하는 저전력 AI 반도체로 발전시킬 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 다학제 과학기술 분야의 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난달 18일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
