[대학저널 임지연 기자] 아주대학교(총장 박형주) 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 생체 신경을 모방한 나노 스케일의 인공 시냅스 소자를 구현하고 동작 원리를 밝혀내는 데 성공했다.
관련 내용은 ‘나노 크기의 2계 시냅스 에뮬레이터를 이용한 뇌 모방 시공간 정보 처리: 고체 상태 기억 시각화 소자(Brain-like Spatiotemporal Information Processing with Nanosized Second-Order Synaptic Emulators; Solid-State Memory Visualizer)’라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <나노 에너지(Nano Energy)> 6월 27일자 온라인판에 게재됐다.
아주대 박지용 교수(물리학과), 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원이 함께 참여했다.
아주대 연구팀은 생체 신경 회로를 인공적으로 구현하기 위해 니켈산화물과(NiO) 아연산화물(ZnO)로 이뤄진 이종 구조 기반 인공 시냅스로 소자를 구성했다. 이종 접합 계면에서 소재의 화학적 특성을 제어, 생체 신경의 이온 신호 전달 방식을 모사해 낸 것이다.
연구팀은 이를 통해 전자를 받아들이는 수용체 역할을 하는 계면 결함을 인위적으로 형성했고, 전자의 이동을 외부 자극에 따라 계면 결함에 저장 및 제어하는 방식으로 인체 시냅스의 ‘장·단기 기억’ 방식을 구현했다.
서형탁 교수는 “연구팀이 시도한 새로운 방식은 현재 널리 사용되는 비휘발성 플래시메모리의 정보 저장과 유사한 방식이나, 저장된 정보를 입력 신호의 강도 혹은 유지 시간에 따라 제어할 수 있다는 점에서 차별화 된다”며 “뉴런 시냅스의 모든 전형적 특성을 구현할 수 있게 된 것으로 생체 신경 회로와 기능적으로 매우 유사하다”고 설명했다.
연구팀은 더불어 개발된 인공 신경 소자의 균일한 저항성 스위칭 거동을 효과적으로 이용함으로써, 인공 시냅스의 크기가 전도성 원자현미경(cAFM)을 사용해 약 40나노미터(1나노미터=10-9 미터)로 축소될 수 있음을 입증하는 데 성공했다. 실제 생체 시냅스와 거의 유사한 크기에서 인공 시냅스 기능을 구현한 것이다.
연구팀은 인공 신경 소자로써의 안정적 동작뿐 아니라, 실제 생체 뇌의 구조와 같이 수많은 인공 시냅스의 병렬 연결로 인공지능을 구현하기 위해 필요한 다단계 신호처리와 실시간 학습 규칙(Bienenstock, Cooper 및 Munro 학습 규칙)을 나노 스케일 인공 시냅스에서 구현할 수 있음도 확인했다.
서 교수는 “실제 뇌는 100조개 정도의 시냅스가 병렬로 연결된 다발로 구성된다”며 “따라서 인공 시냅스 소자에서 인공지능시스템을 구현하기 위해서는 개별 인공 시냅스 소자가 뇌의 학습 원리나 다단계 신호 처리를 모사할 수 있어야 한다”고 말했다.
이어 서 교수는 “이번 연구를 통해 실제 생체 시냅스와 유사한 나노 스케일 산화물 소자에서 인공 시냅스 소자 구동 원리를 규명하는 데 성공했다”며 “고밀도 인공 지능 소자 플랫폼으로 활용이 가능할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
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