KAIST, 곤충 시신경에서의 시각 지능 모사하는 동작인식 소자 개발
곤충의 시신경계를 모방하여 초고속, 저전력 동작이 가능한 신개념 ‘지능형 센서’ 반도체의 개발로 다양한 혁신적 기술로 확장가능한 기술이 개발되었다. 이 기술은 교통, 안전, 보안 시스템 등 다양한 분야에 응용되어 산업과 사회에 기여할 것으로 보인다.
KAIST는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 다양한 멤리스터 소자를 융합해 곤충의 시신경에서의 시각 지능을 모사하는 지능형 동작인식 소자를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
KAIST 신소재공학과 김경민 교수(좌)와 KAIST 신소재공학과 송한찬 박사과정, 이민구 박사과정
연구 배경
기존 비전 시스템은 이미지 센서, 메모리, 연산 장치로 분리되어 있는 구조를 가지며, 이러한 접근 방식은 연산 과정에서 상당한 양의 데이터 트래픽이 필요하고 데이터 대역폭이 제한되어 비효율적이다.
또한, 실시간 이미지 인식 및 분석을 위해서는 촬영된 이미지 및 비디오에서 동적 동작 정보를 추출하는 정보 처리가 필요한데, 이 과정은 많은 네트워크 파라미터를 가진 복잡한 인공 신경망을 사용하는 등 계산 집약적인 작업이 포함한다. 따라서 이러한 최근 요구사항을 해결하기 위해 완전히 새로운 기술이 필요하다.
곤충의 생물학적 시신경계에서 기인한 기본 동작 인식 과정(좌)과 신호 전달 방향에 따른 방향 특이성 반응
연구 내용
이 문제를 해결하기 위한 효율적인 동작인식 소자를 개발하기 위해, 연구는 곤충의 시신경계를 참고하였다. 문제는 이러한 뉴런을 구현하는 것이 기존의 기술에서는 매우 복잡한 회로를 요구한다는 점이다.
이번 연구에서는 두 종류의 뉴런의 기능을 직접 구현하는 두 종류의 서로 다른 멤리스터 소자들을 활용하여, 생물학적 EMD 구조와 기능을 직접 모사하는 지능형 동작인식 소자인 멤리스터 기반 EMD(M-EMD)를 개발했다. 개발한 동작인식 소자는 두 종류의 멤리스터 소자와 저항만으로 구성되어 있는 간단한 구조를 가지며, 두 멤리스터 소자는 각각 신호 지연 기능과 신호 통합 및 발화 기능을 수행하여 각각 Tm3 뉴런과 T4 뉴런의 기능을 모사한다. 그리고 저항은 Mi1 뉴런 기능을 모사한다.
그림 1. 동작인식 소자 기반 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 구성도
기대 효과
곤충의 시신경계를 모방한 이 연구는 생체 모방 센서와 시스템의 연구 및 개발에 새로운 영감을 제공하며 다양한 혁신적 기술로 확장가능하다. 이러한 기술적 진보는 교통, 안전, 보안 시스템 등 다양한 분야에서 응용되어 산업과 사회에 기여할 것으로 보인다.
결론적으로, 곤충의 시신경을 모사하여 에너지 효율적이고, 고정확도의 실시간 움직임 감지 기능을 제공하는 M-EMD 기반 신경모사 시스템은 기술적, 산업적, 사회적으로 큰 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있다.
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