반도체와 나노 기계의 융합 기술을 이용해 인간의 뇌와 유사한 기능을 할 수 있는 ‘3차원 인공지능 반도체 칩’이 우리나라에서 세계 최초로 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최양희) 및 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 기존의 2차원 상보형 금속 산화물 반도체 회로에 나노 기계 회로를 3차원으로 집적시키는데 최초로 성공함으로써, 기존 반도체 대비 50% 낮은 에너지로 사람의 뇌와 유사한 기능을 수행할 수 있음을 규명했다고 밝혔다.

전자회로에서 신호 전달 스위치 역할을 하는 나노 기계를 인간의 뇌 모양과 유사한 3차원 형태로 집적시키기 위해 연구팀은 새로운 구조와 전압 레벨에 대한 연구를 지속적으로 실시해왔다.

특히 전기와 기계의 상이한 연구 분야를 통합적으로 해석할 수 있는 모델링을 구축해 최종적으로 이같은 연구 성과를 얻었다고 연구팀은 전했다.

연구팀이 3차원 융합 집적 기술을 이용해 개발한 인공지능 반도체 칩은 기존 2차원으로 집적된 CMOS 회로 기술로 개발된 인공지능 반도체 칩과 비교해 400% 이상 향상된 집적도를 가지며 50% 이상 낮은 에너지 소모를 보인다.
 

활용 가능 영역은 무인 자동차, 빅데이터, 스마트 로봇, 모바일 기기 등 다양하다. 전자시스템이 스스로 오류를 수정해 신뢰성이 고도로 향상되고 경박단소의 전자기기를 구현이 가능해지기 때문이다.

단기적으로 적용될 분야는 FPGA(프로그래머블 게이트 어레이)다.

저전력, 고집적, 고성능 현장 FPGA를 구현시켜 국내 비메모리 산업 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것으로 관측된다. 일례로 현장 FPGA에 이 기술을 적용하면 기존 기술에 비해 약 40%의 면적 축소가 가능해지며 정적 전력소모를 30% 절감할 수 있게 된다. 또 25%의 속도 향상이 가능해진다. 뿐만 아니라 높은 방사선과 온도 변화에 노출되는 우주항공, 군사용 인공지능 반도체칩의 구현이 가능해질 전망이다.

미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업을 통해 연구를 수행한 서강대 최우영 교수는 “본 연구 특성 상 전자공학, 기계공학, 재료공학, 물리학에 대한 다학제적인 접근이 요구돼 이에 대한 어려움으로 중도에 연구를 포기한 학생이 일부 발생했다”며 “연구실 신입생을 대상으로 관련 세미나와 시뮬레이션을 수 개월간 진행한 뒤 연구를 진행했다”며 연구 과정 중 겪은 어려움에 대해 설명했다.

오늘날 반도체 칩의 원형인 폰노이만(Von Neumann) 방식이 유연성, 적응력, 진화, 학습 등에서 한계를 드러냄에 따라 인간 뇌를 모사한 이번 연구 성과가 기존 반도체의 한계를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

끝으로 최우영 교수는 “이 기술은 인간을 보다 잘 이해하고 상호 교감할 수 있는 전자기기를 구현하는 데 기여하게 될 것”이라며 연구 성과의 의미에 대해 전했다.

연구 결과는 전자공학분야의 권위 있는 학술지 미국 전기전자학회 전자소자지(IEEE Electron Device Letters)에 최근 게재됐다.