▲ 국내 연구진이 신경세포의 시냅스를 인공적으로 재현한 ‘광 시냅스 모방소자’개발에 성공했다.

국내 연구진이 신경세포의 시냅스를 인공적으로 재현한 ‘광 시냅스 모방소자’개발에 성공했다. 이로써 향후 인간의 뇌처럼 저장하면서 생각(연산)도 하는 신경모방 광컴퓨팅기술 개발을 위한 초석을 마련했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 나노 두께의 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 물질중 하나인 그래핀과 광통신 기술을 접목한 광 시냅스 모방소자 핵심 기술 개발에 성공, 미국화학회 나노분야 국제학술지인 ‘응용재료 인터페이스’(AMI) 온라인에 지난달 17일자에 등재되었다고 밝혔다.

사람의 뇌는 저장부분과 연산부분이 공존하는 형태다. 하지만, 컴퓨터는 저장부분과 연산기가 분리되어 있다. 컴퓨터가 사람의 뇌처럼 저장과 연산부분이 공존케 된다면 정보를 전송시 계산까지 하면서 신속히 보낼 수 있게 된다. 이로써 사람의 두뇌 신경을 모방한 광컴퓨팅이 가능케 되는 원리다.

그동안 연구진은 이러한 뇌를 닮은 컴퓨터 칩개발에 몰두해 왔다. 사람의 뇌가 정보전달의 완벽한 기능을 갖고 있기 때문이었다.

연구진은 이처럼 사람의 뇌구조의 장점을 그대로 가져오기 위해 전기적 또는 광학적인 자극에 의한 광 스위칭 소자의 이력현상을 제어하려 노력해 왔다. 먼저, 전기적인 방법에 착안해 저항을 바꿔가면서 신호를 줄 경우 저항을 인식해 계산이 가능토록 만들었다. 하지만 회로가 복잡해지자 간섭이 생겨 집적도를 높이는데 한계가 생겼다.

그래서 연구진은 광학적으로 접근했다. 전기회로를 광회로로 바꾼 것이다. 이를 통해 광저항성 메모리가 만들어 졌다. 이력현상을 활용해 빛의 다양한 파장을 통한 연산도 가능토록 했다. 연구진이 만든 광메모리 소자는 20㎛ x 20㎜수준이다. 향후 수백 나노미터(㎚) 수준으로 개발하고 이를 칩 형태로 고집적할 예정이다.

전자형 시냅스 모방소자의 한계와 달리 광 시냅스 모방소자는 채널간 간섭이 없고 소비전력이 낮다. 또한 빛의 다양한 파장을 사용할 수 있어 동시다발적인 연산이 가능케 된다.

ETRI 연구진이 개발한 이 소자는 향후 정보전송 목적인 광통신에 칩 형태로 내장되어 계산을 하면서 동시에 정보를 보낼 수 있을 것으로 전망된다. 일명 광 시냅스 컴퓨팅, 신경모방 광컴퓨팅이 가능해지는 것이다.

ETRI는 이 기술이 상용화 되면 사람이 사물을 보고 인식하는데 걸리는 시간이 통상 0.06초 내외인데 광컴퓨팅이 가능케 되면 저전력은 물론, 인식속도가 훨씬 빨라진다고 설명했다. 따라서 이러한 기술은 패턴인식이나 음성인식 등의 기술진보에 획기적인 전기를 가져올 것으로 보여 진다.

연구진은 이 기술 개발을 위해 그래핀 위에 전도성 액체의 일종인 이온젤을 발랐다. 그리고 수직방향으로 광신호를 보내 전원을 꺼도 정보가 유지되도록 만들었다. 이와 같은 원리는 이온젤에 비밀이 있다. 이온젤 내부에 있는 전자 또는 홀이 전원을 껐음에도 그래핀내에 잡혀 있어 마치 형상을 기억하는 것처럼 출력 정보를 유지하는 것이 가능했다고 연구진은 설명했다.

연구진은 이와 같은 실험을 통해 광저항성 메모리를 제작, 생물학적 시냅스를 흉내낸 광학 소자를 만들 수 있었다. ETRI는 향후 원천기술을 바탕으로 광통신에 접목을 하게 되면 광학적 연산기가 만들어 질 수 있다고 밝혔다. 곧 광컴퓨팅이 가능해 지는 셈이다.

ETRI 김승환 바이오의료IT연구본부장은 “개발된 광 시냅스 모방소자는 기존의 초고속 광 통신 기술과 접목하여 생물학적 뇌 기능을 인공적인 광학기술로 모방하는 신경모방 광컴퓨팅 기술 개발을 진행할 예정이다”고 밝혔다.

연구진은 향후 스스로 생각하는 칩을 만드는 것이 최종 목표라고 밝히며 기존 생각하는 로봇들이 이미 프로그래밍화 된 로봇이었다면, 이젠 실제 생각하는 로봇개발이 가능해질 전망이라고 설명했다. 광 시냅스 모방소자를 기반으로 하는 신경모방 광컴퓨팅 기술은 기존의 전기적 시냅스 모방소자에 비해 낮은 간섭, 낮은 소비전력, 높은 집적도 및 빠른 동작 반응 속도를 제공할 것으로 기대하고 있다.

예를 들어 메모리와 연산기가 분리된 기존의 컴퓨팅 방식에서는 사진을 볼 때 픽셀 단위로 인식한다면, 광컴퓨팅 방식은 동시다발적 연산이 가능해 사진 전체를 한 번에 인식할 수 있게 되는 원리다.

향후 ETRI 연구진은 개발된 광 시냅스 원천 소자와 나노 광원, 나노 광검출기 등이 단일 칩 상에 고밀도로 집적된 온-칩 광 시냅스 회로 개발에 집중할 계획이다. 이번 연구논문의 제1 저자는 ETRI 김진태 박사이며 최홍규 박사가 참여했고 성균관대 최용석 박사 과정, 조정호 교수가 공동저자다.