- 신소재공학과 이건재 교수팀, 단일 소자로 뉴런/시냅스 동시 모사하는 뉴로모픽 메모리 개발
- 뉴런-시냅스 간 상호작용 구현하여, 기존의 단순 이미지 학습 효과를 넘어서 한번 배운 내용을 더 빨리 재학습하는 등 인간 뇌 구동과 똑같은 AI 구현 가능
- 향후, 뇌를 완벽하게 모사하는 인공지능 구현 및 뇌를 역설계하는 연구에 큰 도움될 것 기대
KAIST는 신소재공학과 이건재 교수팀이 100 nm(나노미터) 두께의 단일 소자에서 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 뉴로모픽(neuromorphic) 메모리를 개발했다고 23일 밝혔다. 뉴런은 신경계를 이루는 기본적인 단위세포를, 시냅스는 뉴런 간의 접합 부위를 말한다.
이 교수팀은 인간의 뇌처럼 뉴런과 시냅스가 유기적으로 동작하는 방식의 단일 메모리 소자를 최초로 구현했으며, 이를 통해 반도체 소자로 인간 뇌를 완전히 구현한다는 뉴로모픽 컴퓨팅 본연의 목표 달성에 근접할 수 있을 것으로 기대된다.
1,000억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스의 복잡한 네트워크로 구성된 인간 뇌는 그 기능과 구조가 고정된 것이 아니라 외부 환경에 따라서 유연하게 변하는 특징을 가지고 있다. 따라서 뉴로모픽 소자는 뉴런과 시냅스의 특성을 모사해 기존의 컴퓨터로는 구현할 수 없는 인간 뇌의 고도 인지 기능을 실현하는 데에 가장 큰 목적을 두고 있다.
지금까지 뉴로모픽 컴퓨팅 구현을 위해서 CMOS 집적회로와 비휘발성 메모리 등을 이용한 연구들이 진행됐으나, 기존 기술들은 뉴런과 시냅스의 기능을 분리해 모사한다는 한계점을 가지고 있었다.
인간 뇌에서 뉴런과 시냅스는 서로 유기적으로 연결돼 있으며, 서로 간의 상호작용을 통해 인지 기능이 발현된다. 이러한 뉴런과 시냅스의 기능을 인간 뇌처럼 단일 구조체에서 통합해 구현하는 것은 어려운 도전 과제였다.
이 교수 연구팀은 휘발성의 소자(threshold switch)로 뉴런을, 비휘발성의 상변화 메모리 소자로 시냅스를 모사해 단기·장기 기억이 공존하는 단일 뉴로모픽 소자를 개발했으며, 이를 통해 집적도 개선 및 비용 절감 효과도 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 특히 기존 CMOS 뉴런 소자에서는 단순 신호 발산 기능만이 구현됐으나, 연구팀의 뉴런-시냅스 통합소자는 신호 발산 유형이 환경에 따라서 유연하게 적응하는 가소성(plasticity)을 구현하는 데 성공했다.
이건재 교수는 이번 연구 성과에 대해 "인간은 뉴런과 시냅스의 상호작용을 통해 기억, 학습, 인지 기능을 발현하므로 둘 모두를 통합 모사하는 것이 인공지능에 있어서 필수적인 요소ˮ라며 "개발한 단일 뉴런-시냅스 소자는 기존의 단순 이미지 학습 효과를 넘어서, 피드백 효과를 기반으로 한 번 배운 내용을 더 빨리 학습하는 재학습(retraining) 효과 구현도 성공해 인공지능뿐만 아니라 뇌를 역설계하는 연구에도 큰 도움이 될 것이다”고 언급했다.
한편 이번 연구는 삼성전자 전략산학과제와 지능형반도체 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 `네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 5월 19일 字 게재됐다.
□ 용어 설명
1. 뉴로모픽 메모리 (Neuromorphic Memory)
○ 뉴로모픽 연구는 인간의 뇌를 구성하는 뉴런과 시냅스의 작동 방식을 반도체 메모리 소자를 통해 모사하는 것을 목표로 한다. 인간의 뇌와 유사하게 작동하는 소자를 이용하여 기존의 컴퓨터와는 다른 인간이 사고하는 방식과 유사한 인공 지능을 구현할 수 있다.
2. 인공지능 (Artificial Intelligence)
○ 인간의 학습, 추론, 지각, 논리 전개, 이해 능력 등을 인공적으로 구현한 컴퓨터 프로그램 또는 시스템으로써 기계가 경험 데이터를 통해 특정 분야에 대한 지식을 학습하고 새로운 입력 내용에 반응하여 스스로 과제를 수행하여 결과물을 제시한다.
3. 뉴런/시냅스 (Neuron/Synapse)
○ 인간의 뇌는 1000억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스의 복잡한 네트워크로 구성되어 있다. 인간의 기억과 학습 등의 인지 기능은 이 네트워크에서의 신호 전달과 연결 구조에서 비롯된다. 특히 뉴런과 시냅스는 외부 환경에 적응하여 유연하게 그 구조와 기능이 변하는 특성 (가소성)을 가지고 있어 뉴런-시냅스 네트워크는 끊임없이 변화하는 모습을 보인다.
4. 휘발성/비휘발성 메모리 (Volatile/Nonvolatile Memory)
○ 일반적으로 메모리 소자는 휘발성과 비휘발성 메모리 소자의 두 가지로 구분될 수 있다. 메모리 소자는 정보를 기억하는 역할을 하는데, 여기서 정보를 기억하고 있는 상태가 전력이 없는 상태에서도 유지된다면 비휘발성 메모리 소자이다. 반대로 전력이 끊길 때 기억하고 있는 정보가 시간에 따라 사라지는 경우는 휘발성 메모리 소자로 분류된다.
그림 1. 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 뉴로모픽 소자
인간의 뇌는 뉴런과 시냅스의 네트워크로 구성되어 있으며, 이들이 가지는 가소성이라고 하는 고유의 특성을 통해 기억과 학습등의 인지 기능이 발현된다. 뉴런의 가소성을 하부에 위치한 휘발성의 문턱 스위치 소자층을 이용해 모사하고, 시냅스의 가소성을 상부에 위치한 비휘발성의 상변화 메모리층을 통해 모사하여 뉴런과 시냅스를 동시에 모사하는 소자를 제작하였다.
그림 2. 뉴런과 시냅스 간 양적 피드백 효과와 재학습 과정 모사
인간의 뇌에서 뉴런과 시냅스는 서로 상호작용하며 인지기능을 발현하다. 여기서 뉴런의 강화를 통해 시냅스도 강화되고, 다시 시냅스를 통해 뉴런이 강화될 수 있는데, 이를 양적 피드백 효과라 한다. 이러한 양적 피드백 효과는 한번 배웠던 것을 좀 더 빠르게 학습하게 해주는 재학습 과정에서 나타난다(그림 a). 제작한 뉴런-시냅스 동시 모사 뉴로모픽 소자를 이용하여 재학습 과정을 모사하는 실험을 진행하였다(그림 b, c). 알파벳 “F”를 해당 소자에 학습시켰을 때 초기에 비해서 재학습 시에 학습이 더 빠르게 되는 것을 확인할 수 있다(그림 d).
