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삼성전자, 뇌를 닮은 차세대 뉴로모픽 반도체 비전 제시삼성전자와 미국 하버드 대학교 연구진이 차세대 인공지능 반도체 기술인 뉴로모픽 (Neuromorphic) 칩에 대한 미래 비전을 제시. 사진제공 : 삼성반도체 (국민문화신문) 유석윤 기자 = 함돈희 삼성전자 종합기술원 펠로우 겸 하버드大 교수, 박홍근 하버드大 교수, 황성우 삼성SDS사장, 김기남 삼성전자 부회장이 집필한 이 논문은 영국 현지시간 23일 세계적인 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다. 이번 논문은 뇌 신경망에서 뉴런(신경세포)들의 전기 신호를 나노전극으로 초고감도로 측정해 뉴런 간의 연결 지도를 ‘복사(Copy)’하고 복사된 지도를 메모리 반도체에 ‘붙여넣어(Paste)’, 뇌의 고유 기능을 재현하는 뉴로모픽 칩의 기술 비전을 제안했다. 초고감도 측정을 통한 신경망 지도의 복사(Copy)는 뉴런을 침투하는 나노 전극의 배열을 통해 이루어집니다. 뉴런 안으로 침투함으로써 측정 감도가 높아져 뉴런들의 접점에서 발생하는 미미한 전기 신호를 읽어낼 수 있습니다. 이로 인해 그 접점들을 찾아내 신경망을 지도화 할 수 있습니다. 이는 삼성전자가 2019년부터 하버드大 연구팀과 지속 협업해 온 기술이다. 특히, 삼성전자는 복사된 신경망 지도를 메모리 반도체에 붙여넣어(Paste) 각 메모리가 뉴런 간의 접점의 역할을 하는 완전히 새로운 개념의 뉴로모픽 반도체를 제안했습니다. 또 신경망에서 측정된 방대한 양의 신호를 컴퓨터로 분석해 신경망 지도를 구성하려면 많은 시간이 소요되는데, 측정 신호로 메모리 플랫폼을 직접 구동하여, 신속하게 신경망 지도를 내려받는 획기적인 기술적 관점도 제시했다. 이 플랫폼은 일반적으로 사용되는 메모리인 플래시 및 다른 형태의 비휘발성 메모리인 저항 메모리(RRAM) 등을 활용할 수 있다. 한편, 궁극적으로 사람의 뇌에 있는 약 100조개의 뉴런 접점을 메모리 망으로 구현하려면 메모리 집적도를 극대화 해야 합니다. 이를 위해 3차원 플래시 적층 기술과 고성능 D램에 적용되는 TSV(실리콘관통전극)를 통한 3차원 패키징 등 최첨단 반도체 기술의 활용을 제안했다. 이번 연구는 학계와 업계의 기술 리더들이 참여해 신경 과학과 메모리 기술을 접목, 차세대 인공지능 반도체에 대한 비전을 보였다는 점에도 의의가 있다. 삼성전자 종합기술원 함돈희 펠로우는 “이번 논문에서 제안한 담대한 접근 방식이 메모리 및 시스템 반도체 기술의 경계를 넓히고, 뉴로모픽 기술을 더 발전 시키는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔습니다. 삼성전자는 기존 보유한 반도체 기술 역량을 기반으로 뉴로모픽 연구에 지속 집중해 차세대 인공지능 반도체 분야에서도 기술 리더십을 확보해 나갈 계획이다.
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'저항변화메모리 누설전류 차단' 반도체 스위치소자 개발포항공대 이장식 교수 "차세대 메모리·전력반도체·뉴로모픽소자 적용 기대" 국내 연구진이 전기가 없어도 정보가 지워지지 않는 플래시 메모리 등을 대체할 차세대 것으로 주목받는 저항변화메모리의 누설전류를 획기적으로 줄일 수 있는 반도체 스위치 소자를 개발했다.포항공대 신소재공학과 이장식 교수팀은 16일 산화아연(ZnO)에 적정량의 은(Ag)을 첨가, 전류를 끊거나 흐르게 할 수 있는 저항값이 10억배 차이가 나는 나노미터(㎚=10억분의 1m) 크기의 반도체 스위치 소자를 개발했다고 밝혔다. 포항공대 이장식 교수[포항공대 제공=연합뉴스]실리콘 반도체는 많은 정보를 저장하기 위해 집적도를 높이는 방향으로 꾸준히 발전해 왔으나 최근 소형화가 한계를 맞았다는 지적이 나온다. 물질의 저항 차이를 이용해 정보를 저장하는 저항변화메모리는 3차원 구조 메모리 소자 제작이 가능하고 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 유지돼 플래시 메모리를 대체할 차세대 소자로 주목받고 있다. 그러나 저항변화메모리는 근처 소자들 간 누설전류로 과다 전력소모가 일어나고 원하는 정보를 제대로 읽지 못하는 식별오류 문제가 발생, 이를 해결하기 위해서는 다이오드 및 트랜지스터 역할을 하는 스위치 소자 개발이 필요하다. 연구진은 저항값이 매우 커 전류가 잘 흐르지 않는 산화아연에 결정구조를 가진 물질 내에서 쉽고 빠르게 이동하는 성질이 있는 은을 첨가, 전류가 흐를 때와 흐르지 않을 때 저항값이 10억배 차이가 나는 스위치 소자를 개발했다. 10억배 저항차이 보이는 반도체 스위치 소자 (위 그림 왼쪽) 전압을 걸면 높은 전기저항에서 낮은 전기저항으로 변화되고 낮은 전기저항에서 전원을 끄면 다시 높은 전기저항으로 변화된다. (위 그림 오른쪽) 아주 낮은 전압의 변화만으로도 매우 높은 저항비 (selectivity)가 나타난다. (아래 그림 왼쪽) 제작된 소자의 모식도 및 실제 소자의 전자현미경 사진. (아래 그림 오른쪽) 산화아연 물질의 화학 구조도 및 산화아연 내에 은 이온의 위치 그림. [포항공대 제공=연합뉴스]저항값 차이가 클수록 반도체 소자의 전원을 켜고 끌 수 있는 효율이 높아지고 전류 흐름을 효율적으로 제어할 수 있어 저항변화메모리 소자 간 누설전류를 차단를 차단하고 전력소모를 줄 일 수 있다. 또 이 스위치 소자는 높은 저항비가 지연시간 없이 빠른 속도로 동작하고 250℃의 고온에서도 소자의 특성이 저하되지 않을 만큼 열적 안정성도 우수한 것으로 나타났다고 연구진은 설명했다.이 교수는 "은을 사용해 전류 흐름을 제어하고 효과적으로 누설전류를 줄일 수 있는 새로운 반도체 스위치 소자를 개발했다"며 "대면적으로 균일하게 만들 수 있고 안정된 특성이 뒷받침되면 휴대전화 등에 사용될 차세대 메모리, 많은 전류 공급이 필요한 전력반도체, 시냅스 소자 등에 필요한 뉴로모픽 소자 등에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다. 한국연구재단 기초연구사업 등의 지원으로 수행된 이 연구결과는 '엔피지 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials, 2월 24일자)에 게재됐다.
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2023년 뇌지도 구축…뇌 연구 신흥강국 목표(종합)미래부 뇌 발전전략 발표…뇌 질환 맞춤치료 길 열릴 듯 (서울=연합뉴스) 신선미 기자 = 정부가 뇌의 신비를 풀기 위해 본격적으로 나선다. 뇌의 구조와 기능을 정리한 '뇌지도'를 구축하기로 했다. 뇌지도를 이용하면 특정 뇌 부위의 변화를 쉽게 파악할 수 있는 만큼 뇌 질환을 정확히 진단하고 치료할 길이 열릴 것으로 기대된다. 미래창조과학부는 이 같은 내용을 골자로 하는 '뇌 과학 발전전략'을 30일 발표했다. ◇2023년까지 뇌지도 2종 구축 이번 전략에는 우선 2023년까지 뇌지도를 구축하겠다는 방안을 담았다. 뇌지도는 뇌의 구조적·기능적 연결성을 수치화·시각화한 데이터베이스(DB)를 의미한다. 김경진 한국뇌연구원장은 정부과천청사에서 열린 뇌 과학 발전전략 브리핑에서 "사람의 뇌는 1천억 개의 신경세포(뉴런)로 이뤄졌고, 이들 세포가 서로 연결돼 신경망을 이루고 있다"며 "이 신경망이 어떻게 사람의 행동을 관장하는지 각각의 기능을 찾고자 하는 것이 '뇌지도 연구'"라고 설명했다. 정부가 만들려는 뇌지도는 뇌 기능을 밝히려는 '고위 뇌 기능 특화지도'와 뇌 질환에 초점을 맞춘 '노화 뇌 질환 특화 뇌지도' 2종이다. 김 원장은 "고위 뇌 기능 특화지도는 한국뇌연구원이 개발할 예정이고, 노화 뇌 질환 특화 뇌지도는 다(多)부처사업으로 한국과학기술연구원(KIST) 등이 수행한다"고 밝혔다. [연합뉴스 자료사진]두 지도 모두 인지기능과 관련된 '대뇌피질(후두정엽)'의 설계도를 확보하는 데 집중할 계획이다. 이는 해외의 뇌지도 사업과 차별화하기 위한 것이다. 미국은 현재 시각 기능과 관련된 '대뇌피질'에 집중하고 있으며 일본은 인지기능과 관련된 '전전두엽'에 초점을 맞춰 뇌지도를 작성 중이다. 김 원장은 "세계적으로 많은 과학자가 자기공명영상(MRI), 형광현미경 등의 툴(도구)을 이용해 뇌지도를 구축하고 있다"며 "이 연구는 분명 국제 컨소시엄 형태로 갈 것이고, 여기서 나온 결과가 인공지능(AI) 개발 등에 응용될 수 있는데 우리도 데이터가 있어야 컨소시엄에 참여할 수 있다"고 연구의 필요성을 강조했다.뇌지도는 앞으로 뇌 질환을 치료하는데도 쓰일 수 있다. 현재 뇌의 일부만 자극할 수 있는 '국소 뇌 자극술'이 개발되면 뇌의 어떤 부위를 자극해야 치료 효과를 낼 수 있는지 알아내는 것이 필요한데, 여기에 뇌지도를 활용할 수 있다. 뇌지도가 치료에 정확한 좌표를 제공하게 되는 것이다. 미래부는 치매, 파킨슨병 등 노년기의 퇴행성 뇌 질환과 우울증, 중독 등의 청장년기 뇌 질환·장애 등을 극복하기 위한 생애주기별 맞춤형 뇌 질환 극복 R&D 개발에도 나서기로 했다. 특히 지금까지 지원이 부족했던 자폐증과 뇌 발달장애 등 소아·청소년기 뇌 질환에 대한 지원을 확대할 계획이다.◇ 감성적인 인공지능·로봇 팔 개발 탄력 미래부는 작성된 뇌지도를 활용할 수 있는 기술을 '미래 선점 뇌 융합 챌린지기술'로 정하고 집중적으로 개발하기로 했다. 미래부는 챌린지기술의 예로 우선 '단위 뇌세포 분자수준 이미징 기술'을 들었다. 이는 대뇌 신경망을 분자 수준에서 해석할 수 있도록 고해상도의 3D 이미징 기술을 개발하겠다는 것이다. 줄기세포를 이용해 사람 뇌와 구조는 비슷하지만 크기를 줄인 실험용 뇌인 '미니 뇌'를 제작하고 분석하는 기술을 개발하는데도 나선다. 증강현실과 인공지능 기술을 활용해 뇌 기능을 증진하는 기술과 인간과 동물의 생체 원리를 바탕으로 로봇팔을 제어할 수 있는 기술도 집중적으로 개발할 예정이다. 유전정보를 바탕으로 한국인 맞춤형 뇌 질환 진단과 치료기술도 개발할 계획이다.[연합뉴스TV 제공] 미래부는 사람 뇌의 작동원리를 인공신경망 모델링과 알고리즘 개발에 활용해 인공지능(AI) 기술을 도약시키자는 '차세대 NI-AI 연계기술' 개발 계획도 추진하기로 했다. 뇌 연구 결과를 바탕으로 인공지능과 관련된 인공신경망을 만든다는 것이다. 이를 통해 인간 뇌와 유사한 컴퓨터 시스템을 구현할 수 있게 지원한다는 구상이다.우선 인간 지각판단 신경회로망을 모방해 인공지능을 구축하고 패턴인식 알고리즘을 개발하는 '지각판단 회로연구'가 있다. 사람 뇌의 감성영역 신경회로의 작동원리를 규명해 생각하고 느끼는 사실적인 인공지능을 개발하려는 '감성지능 회로'도 개발할 예정이다. 동시에 발생하는 감각정보를 통합하는 뇌 회로의 작동원리를 찾아 다중감각 정보 처리 알고리즘을 개발하는 '감각지능 통합 인지회로 연구'와 신경세포 사이의 네트워크의 구성원리를 연구해 고집적 뉴로모픽칩을 개발하는 연구도 진행된다. 뇌 연구의 기반을 확충하기 위한 방안도 이번 전략에 포함했다. 뇌 연구인력을 육성하고 병원 이외의 연구기관에서 뇌 조직을 이용한 연구를 할 수 있게 제도를 개선하고 뇌 은행 운영규정과 윤리지침 등을 제정할 계획이다. 미래부는 뇌 과학 발전전략을 실행하기 위해 앞으로 10년간 총 3천400억원 규모의 신규 재정투자가 필요할 것으로 보고, 재정 당국과 관련 재원마련 방안을 협의해 나갈 계획이다. 올해 국내 뇌 연구비 규모는 1천331억 원 수준으로, 미래부 1천115억 원, 복지부 145억 원, 교육부 48억 원, 산업부 23억 원 등이다.