성균관대 화학공학과 및 성균에너지과학기술원 (SIEST) 소속 조새벽 교수, 양우석 교수 공동연구팀이 빛의 색깔만으로 인공지능 반도체 소자의 기억을 강화하거나 약화시키는 기술을 개발했다.

연구팀은 반도체 소재의 고질적인 문제점이었던 ‘무질서도’와 ‘결함’특성을 거꾸로 기억의 '항상성'을 유지하는 수단으로 활용하여, 마치 사람의 뇌처럼 필요한 정보는 오래 기억하고, 불필요한 정보는 약화시키는 인공신경망용 차세대 시냅스를 개발했다고 밝혔다. 해당 기술은 전기를 적게 쓰는 차세대 인공지능칩과 '보고 기억하는' 인공 눈(인공 망막) 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 우수신진연구와 신진연구자인프라지원사업, 4단계 두뇌한국21 사업 대학원혁신의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’에 5월 18일 게재됐다.

AI는 똑똑해질수록 전력 소모도 크게 증가해, 기억·연산을 동시에 처리하는 뉴로모픽(뇌 모방) 컴퓨팅이 주목받고 있다. 이를 위해서는 뇌처럼 정보를 전달하고 기억하는 인공 시냅스를 구현해야 하는데, 특히 광시냅스는 초저전력·고속 동작과 대규모 병렬처리가 가능해 차세대 AI 가속기의 핵심 소자로 평가된다. 하지만 기존 광시냅스는 학습과 망각을 같은 스위치로 조절해 와서 두 기능을 독립적으로 제어하기 어려웠고, 학습이 반복될수록 기억이 한쪽으로 치우쳐 과부하가 오거나 정보가 지워지는 문제가 발생했다.

연구팀은 광시냅스 소재의 ‘결함’을 오히려 기억의 항상성을 유지하는 수단으로 활용하는 역발상으로 문제 해결에 접근했다. 먼저 이 소재로 만든 반도체 내 금속 이온의 미세한 결함을 정밀하게 조절해 전기 신호를 붙잡아 두는 일종의 창고를 만들고, 그 위에 광학적 성질이 서로 다른 물질을 맞붙인 이종구조를 구현했다. 이를 통해 어떤 색의 빛을 비추느냐에 따라 전자의 이동 속도·방향이 달라지는 광시냅스 시스템이 완성되어, 근적외선을 비추면 시냅스가 13배 이상 강해지는 학습가속이, 청색광을 비추면 갇혀 있던 전자가 풀려나며 빠르게 약해지는 망각 가속이 일어났다.

연구팀은 1,000조분의 1초까지 들여다보는 초고속 레이저를 이용하여, 빛 색깔에 따라 전자가 다른 길로 움직이는 모습을 직접 확인했다. 나아가 이 소자로 손글씨 숫자를 알아맞히는 인공지능을 1,000번 반복학습시킨 결과, 기억이 폭주하거나 사라지지 않고 끝까지 또렷하게 유지돼 뇌처럼 균형 잡힌 학습이 가능함을 입증했다.

조새벽 교수는 "반도체에서 제거해야 할 결함으로 여겨지던 무질서한 상태를 오히려 AI 하드웨어가 스스로 기억의 균형을 잡는 기능으로 되살린 데 의의가 있다”며, “향후 스스로 학습 균형을 유지하는 저전력 AI 반도체로 발전시킬 계획”이라고 말했다.

▲ (위) 빛의 색으로 ‘외우기’와 ‘잊기’를 조절하는 뇌 모방 광시냅스의 학습과정 및 한계점. (아래) 본 연구에서 활용한 무질서 결함 제어 기반의 접근방법