[테크노트] 뉴런과 시냅스 특성 갖춘 야누스 트랜지스터, 뉴로모픽 반도체 한계 극복하다
  • 2021-09-02
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr

인간의 뇌를 하드웨어적으로 모방하는 뉴로모픽 하드웨어가 큰 주목을 받고 있다.

뉴로모픽 하드웨어를 구현하기 위해서는, 생물학적 뇌와 동일하게 일정 신호가 통합되었을 때 스파이크를 발생하는 뉴런과 두 뉴런 사이의 연결성을 기억하는 시냅스가 필요하다.

뉴런과 시냅스는 일반적으로 디지털 및 아날로그 회로로 구성되지만, 복잡한 회로 구성에 따라 하드웨어 면적이 크다는 한계가 있다.



이에 KAIST 전기및전자공학부 최양규, 최성율 교수 공동연구팀은 단일 트랜지스터를 이용해 인간의 뇌를 모방한 뉴런과 시냅스로 구성된 뉴로모픽 반도체를 구현했다고 밝혔다. 이 반도체는 상용화된 실리콘 표준 공정으로 제작되어, 뉴로모픽 하드웨어 시스템의 상용화 가능성을 획기적으로 높였다.

그동안 이 집적도를 개선하기 위해 다양한 소재 및 구조기반의 뉴런과 시냅스가 제안되었지만, 대부분 표준 실리콘 미세 공정 기술로 제작될 수 없어 상용화가 어렵고 양산 적용에 문제가 많았다. 연구팀은 문제 해결을 위해 이미 널리 쓰이고 있는 표준 실리콘 미세 공정 기술로 제작될 수 있는 단일 트랜지스터로 생물학적 뉴런과 시냅스의 동작을 모방했으며, 이를 동일 웨이퍼(8인치) 상에 동시 집적해 뉴로모픽 반도체를 제작했다.

뉴로모픽 하드웨어의 상용화를 앞당겨

제작된 뉴로모픽 트랜지스터는 현재 양산되고 있는 메모리 및 시스템 반도체용 트랜지스터와 같은 구조로, 트랜지스터가 메모리 기능 및 논리 연산을 수행하는 것은 물론, 새로운 뉴로모픽 동작이 가능함을 실험적으로 보여 준 것에 가장 큰 의미가 있다.

기존 양산 트랜지스터에 새로운 동작원리를 적용해, 구조는 같으나 기능이 전혀 다른 뉴로모픽 트랜지스터를 제작했다.
 
상용화된 CMOS 공정으로 제작된 단일 트랜지스터 기반 뉴런과 시냅스

뉴로모픽 트랜지스터는 마치 동전에 앞면과 뒷면이 동시에 있는 것처럼, 뉴런 기능도 하고 시냅스 기능도 수행하는 야누스(Janus) 구조로 구현 가능함을 세계 최초로 입증했다고 밝혔다. 더 나아가 연구팀은 같은 구조의 시냅스와 함께 집적해 공정 단순화에 따른 비용 절감을 할 수 있었다.

기존 뉴런 회로구성에 필요한 평면적이 21,000 단위인 반면, 새로 개발된 뉴로모픽 트랜지스터는 6 단위 이하이므로 집적도가 약 3,500배 이상 높다. 연구팀은 제작된 뉴로모픽 반도체를 바탕으로 증폭 이득 조절, 동시성 판단 등의 뇌의 기능을 일부 모방했고, 글자 이미지 및 얼굴 이미지 인식이 가능함을 보였다.

연구팀이 개발한 뉴로모픽 반도체는 집적도 개선과 비용절감 등에 이바지하며, 뉴로모픽 하드웨어의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

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