[연구 소식] 인천대 전기공학과 김준동 교수 연구팀, 빛을 이용한 뉴로모픽 AI컴퓨팅 기법 발표

연구 관련 사진 - 개발소자(투명 뉴로모픽 소자) 연산(논리게이트)

인천대학교 김준동 교수 연구팀은 인간의 뇌처럼 낮은 전력으로 정보를 감지, 처리, 기억하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술을 구현하기 위해, 외부 전력 없이 빛 신호만으로 작동하는 투명 반도체 소자를 개발하였다. 이 소자는 서로 다른 파장의 빛을 이용해 AND, OR, NOT 등의 논리 연산을 수행하며, 동시에 메모리 기능도 갖추어 기존의 분리된 컴퓨팅 단계 문제를 해결할 수 있는 통합 시스템을 제시한다. 연구는 인도 Naveen 쿠마 박사의 협력을 받아 진행되었고, 그 결과는 Applied Materials 최신호에 게재되었으며 특허 등록도 완료되어, 인공눈, 인공피부 등 다양한 응용 분야에 활용될 가능성을 보여주고 있다.

인천대학교 (총장 박종태) 전기공학과 김준동 교수 연구팀은 최근 빛을 이용한 뉴로모픽 (Neuromorphic, 인간의 신경망을 추종하는 반도체 기술) AI 컴퓨팅 기법을 발표하였다.

인간의 뇌는 1000억 개가 넘는 신경세포 뉴런 (Neurons)과 뉴런의 1000배가 시냅스 (Synapses) 단위로 구성되어 있다. 인간의 뇌는 이렇게 많은 신경단위 시스템을 가지지만, 20W의 낮은 전력으로 인체에서의 입력신호 감지, 반응 동작 판단 및 결과에 대한 기억 등의 생체 컴퓨팅 (Bio-computing)을 수행한다.

[*인체 반응 동작의 예: 어떤 사람이 뜨거운 물건을 손으로 만졌을 경우, 신경세포는 고온을 감지하고 신호를 발생하며, 신경망을 통해서 ‘발생 신호’를 뇌로 전송하며, 즉각적인 판단(연산)을 통해서 신속히 물건에서 손을 뗄 것을 명령한다. 그리고, 그 사건에 대한 정보를 기억한다.]

본 연구에서는 빛신호(Light signals)를 기반으로 동작하는 투명한 인공신경망(뉴로모픽 소자)을 개발하였다. 금번의 뉴로모픽 소자는 투명 반도체로 개발되었으며, 빛으로부터 전기에너지를 자체 생산하고, 이를 기반으로 외부전력의 공급이 없이 자력으로 동작하는 특징을 가진다.

본 투명 인공신경망-뉴로모픽 소자의 특징은 논리적 연산이 가능한 특징을 가지고 있는데, 파장이 다른 빛을 이용하여 ON/OFF 기능을 발현할 수 있다. 기존의 전기 신호를 대신하여 빛신호를 이용하여 다양한 논리게이트(AND, OR, NOT)를 구현하였으며, 투명한 소자의 특징으로 인공눈이나 피부 및 통신 등 다양한 분야에 접목이 가능하다.

이번에 개발된 투명 뉴로모픽 소자는 신호에 대한 감지와 판단 (논리게이트)의 기능과 함께 반응에 대한 메모리 성능(기억 작용)을 동시에 수행할 수 있다. 기존 컴퓨팅 방식은 입력(Input), 데이터처리(Data Processing), 메모리 기능이 분리된 스테이지 작업으로 과전력 사용과 공간의 제약/밀집도 등의 문제가 있다. 그러나 빛을 이용한 무전력 통합 수행 (신호감지-처리-기억)은 기존 문제를 해결하고 새로운 뉴로모픽 컴퓨팅 방안을 제시하였다.

뉴로모픽 신호 전달 시스템

나빈 쿠마(Naveen Kumar, 인도) 박사는 한국연구재단-해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 (NRF-2021H1D3A2A02096147)을 통해서 본 연구를 수행하였다. 현재는 이탈리아 국립연구위원회 (National Research Council of Italy, CNR)에 선임연구원으로 재직하고 있으며, 본교와 지속적인 협력 연구를 수행하고 있다.

Naveen 박사

Malkesh 박사

연구책임자인 김준동 교수는 본 연구가 스스로 에너지를 공급하고 동작하는 투명 반도체의 초월성을 이용한 활용이라 밝혔다. 향후 기존의 틀을 벗어나는 특성 반도체 기술과 에너지 활용 분야에 더욱 진보된 기술 개발을 발표할 예정이라고 말했다.

본 연구의 결과는 최근 Applied Materials 최신호에 ‘2D-SnS-Embedded Schottky Device with Neurotransmitter-Like Functionality Produced Using Proximity Vapor Transfer Method for Photonic Neurocomputing’제목으로 게재되었다. 관련 기술은 1차 특허 등록(10-2743896, 광신호로 동작하는 투명 멤리지터소자, 등록일자: 2024년 12월 12일)하였으며, 진보된 기술의 연계 특허출원을 진행하고 있다.

논문 표지 이미지

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