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전자의 스핀 이용한 'AI 반도체' 개발

KIST 차세대반도체연구소, 인간 뇌 밀접 모방
나노 자성구조체 '스커미온' 이용···초저전력 소자
KIST(한국과학기술연구원)는 장준영 차세대반도체연구소장과 송경미·주현수 박사, 우성훈 IBM 연구원이 소용돌이 모양의 나노 스핀 구조체인 '스커미온'(Skyrmion)을 이용해 차세대 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심 기술을 개발했다. <사진=KIST 제공>KIST(한국과학기술연구원)는 장준영 차세대반도체연구소장과 송경미·주현수 박사, 우성훈 IBM 연구원이 소용돌이 모양의 나노 스핀 구조체인 '스커미온'(Skyrmion)을 이용해 차세대 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심 기술을 개발했다. <사진=KIST 제공>

4차 산업혁명의 핵심기술인 인공지능(AI) 반도체 기술 개발 경쟁이 치열하다. AI 기술이 발전하면서 연산 능력은 기하급수적으로 늘어남에 따라 초저전력 AI 전용 반도체의 필요성이 급부상하고 있다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 직무대행 윤석진)는 장준영 차세대반도체연구소장과 송경미·주현수 박사, 우성훈 IBM 연구원이 소용돌이 모양의 나노 스핀 구조체인 '스커미온'(Skyrmion)을 이용해 차세대 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 핵심 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 

스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로 특유의 구조적 안정성, 나노미터 수준의 작은 크기를 지닌다. 이와 함께 생성·개수 조절이 용이한 장점을 지녀 메모리, 논리 소자, 통신 소자 등 차세대 전자 소자에 적용하기에 유용하다. 

또 각각의 스커미온은 고유한 전기 저항을 가져, 스커미온 개수에 따른 저항 변화를 아날로그로 조절하고 측정할 수 있다. 이런 우수 특성으로 스커미온 기반의 인공 시냅스 소자 개발에 대한 관심이 높다. 하지만 스커미온을 전기적으로 제어하는 기술의 어려움으로 인해 현재까지 이론적으로만 예측되어 왔다.

KIST 연구진은 신경전달 물질과 동일한 원리로 스커미온의 수를 조절함으로써 시냅스 가중치를 변화시킬 수 있음을 착안했다. 이를 통해 그동안 개념적으로만 제안된 스커미온 전자 소자를 전기적으로 제어하는 방법을 찾아냈고, 이에 기반한 시냅스 소자를 최초로 제작했다. 기존 시냅스 소자들에 비해 낮은 전압으로도 동작하면서도 높은 내구성을 갖는다.

연구진은 이 인공 시냅스 소자를 이용해 손글씨 숫자 패턴(MNIST) 인식 학습을 진행했을 때, 90%의 높은 인식률을 증명했다. 기존 인공 시냅스 소자는 이와 유사한 수준의 인식률을 얻기 위해 수십만 번의 반복 학습이 필요했으나, 스커미온 기반 인공 시냅스 소자는 1만 5000회 학습만으로 목표치를 달성해 인식에 필요한 소자의 전력 소모를 10배 이상 감소시켰다.

송경미 박사는 "기존 이론으로만 제시됐던 스커미온 기반 인공 시냅스 소자를 세계 최초로 구현한 연구 결과"라며 "전기적으로 제어되는 스커미온의 수에 따라 시냅스 가중치를 제어해 시냅스 가중치를 조절하는 인간의 뇌를 가장 밀접하게 모방했다"고 강조했다.

주현수 박사는 "이번 연구에서 스커미온을 활용한 새로운 접근법은 차세대 물질이나 새로운 소자 기반의 뉴로모픽 소자를 새롭게 제시하는 것"이라며 "이 분야 연구에 새로운 방법을 제시한 것으로 시사하는 바가 크다"고 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요 사업인 차세대반도체연구소 플래그십 과제와 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 한국연구재단 AI·빅데이터 전략 과제로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 3월 16일 자 온라인판에 게재됐다.

기술개발 메커니즘. <사진=KIST 제공>기술개발 메커니즘. <사진=KIST 제공>
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