인간 두뇌 모사한 차세대 컴퓨팅 뉴로모픽 칩 개발-광 반응성 기반의 인공 시냅스에 강유전체 도입해 신호세기 조절
등록일 2020.03.05.
인간 두뇌 모사한 차세대 컴퓨팅 뉴로모픽 칩 개발
광 반응성 기반의 인공 시냅스에 강유전체 도입해 신호세기 조절
□ 0과 1이라는 디지털 신호 기반의 컴퓨터 칩은 메모리소자와 연산소자가 별개여서, 소자 간 정보전송 과정에서 병목현상이 생긴다.
ㅇ 하지만 우리 뇌는 기억과 연산을 동시에 수행하는 아날로그 방식이다. 병렬처리로 에너지 소모를 줄인 것은 자는 동안에도 일하는 우리 뇌로서는 어찌 보면 당연한 일이다.
□ 이처럼 정보의 저장과 처리가 병렬로 수행되는 뇌의 시냅스(신경세포간 정보전달이 이뤄지는 부위)를 모사한 뉴로모픽 칩※은 전력소비를 기존 반도체 대비 수 백 배에서 수 십 만 배 이하로 줄일 수 있다.
ㅇ 저전력 다기능 반도체 칩의 진화는 이미지나 동영상 같은 복잡한 비정형 데이터의 효율적 처리가 필요한 AI, 빅데이터, 자율주행 자동차의 실현을 위한 중요한 과제이다.
* 뉴로모픽 칩 : 1011개의 뉴런과 1015개의 시냅스로 이루어진 뇌의 구조와 시냅스의 가소성 특성을 기반으로 동작하는 인간 두뇌의 작동방식을 모사한 컴퓨터 칩. 병렬적 정보처리로 비정형 정보를 효율적으로 처리하는 차세대 컴퓨팅 방식. 여러 글로벌 기업들이 관련 연구를 수행하고 있다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이장식 교수(포항공과대학교) 연구팀이 강유전체 물질을 이용해 산화물 반도체의 광(光)반응성을 제어, 신호전달 세기가 조절되는 뉴로모픽 칩을 구현했다고 밝혔다.
□ 연구팀(이장식 교수, 김민규 박사과정)은 디스플레이에 쓰이는 광반응성 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연 산화물,IZGO) 층에 외부 전기자극 없이도 스스로 분극 특성을 유지할 수 있는 강유전체 하프늄 산화물(HfZrOx)을 적층하여 빛으로 동작하는 인공 시냅스를 구현했다.
□ 뉴로모픽 칩 가운데 빛에 따라 전류의 흐름이 조절되는 광 시냅스 소자는 전자형 시냅스 소자보다 동작속도는 빠르면서 소비전력이 낮아 주목받는다.
ㅇ 하지만 광반응성 제어에 한계가 있어 두뇌 작동방식, 특히 외부 자극에 대응해 지속적으로 다음 신경세포로의 신호전달 세기를 바꾸는 시냅스 가소성(plasticity, 可塑性)을 모사하기 어려웠다.
□ 구현된 광 시냅스 소자는 칼슘이온이 유입된 신경세포에서 다음 신경세포로 신경전달물질이 분비되면서 전기적 신호가 전달되는 것처럼,
ㅇ 빛에 의해 생성된 전자가 빛이 사라지면 서로 재결합하는 방식으로 전류의 세기를 바꾸면서 정보를 처리한다.
ㅇ 이 과정에서 분극되어 전류의 흐름을 제어할 수 있는 강유전체를 활용, 산화물 반도체에서의 전자 재결합을 제어, 소자의 신호전달 세기를 제어한 것이 이번 성과의 핵심이다.
□ 그 결과 신경세포 간 연결강도, 즉 뇌의 학습과 기억에 관여하는 신호전달능력인 시냅스 가중치 변화(synaptic weight change)가 20배 이상 증가했다.
ㅇ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구) 및 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2월 13일 게재되었다.
주요내용 설명
< 논문명, 저자정보 >
논문명
Synergistic Improvement of Long-Term Plasticity in Photonic Synapses Using Ferroelectric Polarization in Hafnia-Based Oxide-Semiconductor Transistors
저 자
이장식 교수(교신저자/포항공과대학교), 김민규 석박사통합과정(제1저자/포항공과대학교),
< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 동영상, 사진과 같은 복잡한 비정형 정보를 처리하는 데 폰 노이만 구조에 기반한 기존 컴퓨팅 방식의 한계점이 드러나고 있다. 이를 극복하기 위해 비정형 정보를 효율적으로 처리할 수 있는 뉴로모픽 컴퓨팅 방식이 주목받고 있다.
○ 뉴로모픽 컴퓨팅은 1011개의 뉴런과 1015개의 시냅스로 이루어진 뇌의 구조와 시냅스의 가소성 특성을 모사한다. 가소성이란 외부 자극에 의해 구조와 기능이 변화하며 학습하는 특성이다. 뇌의 구조와 시냅스 가소성은 정보를 병렬적으로 처리하여 정보처리의 효율성을 높일 수 있다.
○ 이처럼 뇌의 정보처리 특성을 모사한 뉴로모픽 소자 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 광학적 자극에 의해 동작하는 광 시냅스 소자가 전기적 신호로 작동하는 전자형 시냅스 소자보다 소비전력이 낮고 소자 간 간섭이 적어 주목받고 있다.
○ 산화물 반도체 물질의 광 반응성을 이용한 광 시냅스 소자는 구조가 단순하고 반도체 공정과 호환성이 있어 최근 여럿 보고되었다.
○ 하지만 현재까지 산화물 반도체를 이용한 연구의 경우 광 반응성을 제어하는 데 한계가 있고 이는 뉴로모픽 칩에서 연산에 사용되는 시냅스 소자의 장기 강화 특성을 구현하는데 문제가 될 수 있다. 해당 특성을 제어하기 위해 산화물 반도체의 조성 조절 및 외부 전압 인가 방법이 시도되었으나 추가적인 전력이 필요하고 공정이 복잡해지는 단점이 있었다.
2. 연구내용
○ 본 연구팀은 산화물 반도체의 광 반응성 특성과 강유전체 물질의 분극 특성을 이용해 광학적 자극에 의해 동작하며 시냅스 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자를 제작하였다.
○ 본 연구의 광 시냅스 소자는 광반응성 인듐-갈륨-아연 산화물(Indium Zinc Gallium oxide, IGZO) 반도체 아래 자발분극 특성을 지닌 강유전체* 지르코늄 도핑된 하프늄 산화물(Zirconium doped hafnium oxide, HfZrOx)을 적층하여 구현되었다.
* 강유전체: 외부의 전기장이 없이도 자발적으로 분극(polarization)이 유지되는 물질로 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수(switching) 있다.
○ 제작된 광 시냅스 트랜지스터의 광 반응성 특성 평가, 시냅스 가소성 특성 평가를 통해 시냅스 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자의 개발이 가능하였다.
○ 제작된 광 시냅스 트랜지스터의 산화물 반도체 층에서 뇌의 시냅스 가소성 특성과 유사한 광 반응성 특성이 확인되었다. 해당 광 반응성 특성을 이용해 시냅스 가소성 특성이 모사되었다.
○ 또한 강유전체 물질의 분극 특성을 이용해 산화물 반도체 층의 전자 밀도를 조절하여 광 반응성 제어가 가능함을 확인하였다. 이를 통해 광 시냅스 트랜지스터의 가소성 특성을 제어하였다.
○ 이때 시냅스 가중치 변화가 20배로 증대되어 분극에 따라 시냅스 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자로서의 가능성을 보여 주었고, 시냅스의 장기강화 현상을 잘 모사할 수 있게 되었다.
3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구결과는 산화물 반도체의 광 반응성 특성을 이용하여 시냅스 가소성 특성을 모사했을 뿐만 아니라 강유전체 층의 분극 특성을 통해 시냅스 가소성 특성을 조절함으로써 기존 산화물 반도체 기반 광 시냅스 소자의 한계를 극복했다는 데 의의가 있다.
○ 또한 현재 반도체 소자에 쓰이고 있는 인듐-갈륨-아연 산화물(Indium Zinc Gallium oxide, IGZO)과 하프늄 기반 산화물(Zirconium doped hafnium oxide, HfZrOx) 강유전체 물질을 기반으로 제작되어 반도체 공정과 높은 호환성을 가지고 있다.
○ 뿐만 아니라 강유전체 물질의 분극을 이용하여 가소성 특성을 인위적으로 조절할 수 있기 때문에, 단기 또는 장기 강화 특성을 요구하는 뉴로모픽 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
○ 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩 개발의 가속화에 기여할 것으로 기대되며 추후 얼굴 인식, 자율주행 자동차, 사물인터넷(IoT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
그림 설명
(그림1) 광 시냅스 소자의 광반응성과 시냅스에서 나타나는 신경전달물질 반응성의 유사성
(a) 광 시냅스 소자 구조의 모식도와 광 반응성. 산화물 반도체 물질은 광학적 자극에 의해 전자가 생성되어 전도도가 증가하고, 광학적 자극이 제거된 이후에는 생성된 전자의 재결합을 통해 전도도가 감소하는 경향성(표 안 그래프)을 나타낸다.
(b) 생물학적 시냅스의 구조와 시냅스 가소성 특성 모식도. 산화물 반도체에서 나타나는 광 반응성은 칼슘 유입에 의해 신경전달물질이 분비되어 전압이 증가하고 칼슘 분출을 통해 재분극이 발생(표 안 그래프)하는 생물학적 시냅스의 신호전달 특성과 거동이 매우 유사하다.
사진제공 : 포항공과대학교 이장식 교수
(그림2) 강유전체 층의 분극상태에 따른 광 반응성 조절과 그에 따른 시냅스 가소성 조절
(a) 광 시냅스 소자의 광 반응성 특성 변화. 강유전체 물질의 분극 특성을 이용해 광 시냅스 소자의 광 반응성 특성이 제어되었다. 강유전체층이 하향분극을 가질 때 전자 재결합이 억제되어 느린 전도도 감소 특성을 보이고, 강유전체층이 상향분극을 가질 경우 전자 재결합이 가속화되어 빠른 전도도 감소 특성을 보인다.
(b) 시냅스 가중치 변화 특성. 광 반응성이 제어되면 광학적 자극에 의한 시냅스 가중치 변화의 정도가 크게 증가(왼쪽 그래프)했다. 한편 장기강화 특성인 자극인가 후 유지되는 시냅스 가중치 변화량이 20배 증대(오른쪽 그래프)되었다. 이때 시냅스 가중치 변화는 초기 상태 대비 증가한 전도도의 크기를 의미한다. 이는 강유전체의 분극 상태에 따라 광 시냅스 소자의 가소성 특성 제어가 가능함을 보여준다.
사진제공 : 포항공과대학교 이장식 교수
연구 이야기
<작성 : 포항공과대학교 이장식 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
지금까지는 시냅스의 전기적 자극에 의해 동작하는 전자형 시냅스 소자 기술 개발이 활발했다. 하지만 최근 광학적 자극에 의해 동작하는 광 시냅스 소자가 빠른 동작 속도와 낮은 소비전력, 그리고 소자 간 간섭이 적은 장점 때문에 주목받고 있다.
산화물 반도체의 광 반응성은 시냅스의 가소성 특성과 유사하여 광 시냅스 소자로 주목받고 있지만 광 반응성 거동을 제어하는 데 한계가 있었다. 이러한 한계는 뉴로모픽 소자에 광 시냅스를 적용할 때 문제가 될 수 있다.
따라서 우리 연구팀은 산화물 반도체 기반 광 시냅스 소자의 광 반응성 조절을 통한 시냅스 특성 제어 가능성에 주목하였고, 이 연구에서 강유전체의 분극 특성을 이용하여 시냅스 가소성 특성 조절 가능한 광 시냅스 소자 개발 연구를 시작하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
강유전체 분극 특성을 활용하여 시냅스의 가소성 특성 조절이 가능한 광 시냅스 소자를 처음으로 개발한 것이다. 기존에 제시되었던 산화물 반도체 물질의 조성 제어 및 외부 전압인가 방식이 아닌 강유전체 층의 분극을 이용하는 시냅스 가소성 특성 제어는 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩* 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
해당 특성을 이용하면 강유전체 물질의 분극을 통해 적용분야에 따라 적합하게 가소성 특성을 조절할 수 있어 광 시냅스 소자 기반 뉴로모픽 칩 개발의 가속화에 기여할 것으로 기대된다.
* 뉴로모픽 칩 : 1011개의 뉴런과 1015개의 시냅스로 이루어진 뇌의 구조와 시냅스의 가소성 특성을 기반으로 동작하는 인간 두뇌의 작동방식을 모사한 컴퓨터 칩. 병렬적 정보처리 방식으로 비정형 정보를 효율적으로 처리할 수 있어 차세대 컴퓨팅 방식으로 주목받고 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
해당 광 시냅스 소자에 기반한 뉴로모픽 칩이 상용화 된다면 추후 얼굴 인식, 자율 주행 자동차, 사물인터넷(IOT), 지능형 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
실용화를 위해서는 산화물 반도체의 광 반응성을 보다 향상시켜 보다 큰 시냅스 가중치 변화를 구현하고 고집적 뉴로모픽 칩 구현을 위해서 소자 집적화 기술 개발이 필요하다.