서강대학교 박정열 교수 연구팀, 뇌를 닮은 무발열 유체컴퓨팅 소자 개발

뇌신경세포의 환경과 작동 원리를 가장 가깝게 모사한 시스템 개발

 서강대학교(총장 심종혁) 기계공학과 박정열 교수 연구팀이 네덜란드 Utrecht 이론 물리학과 R.H.H.G. (René) van Roij 교수 연구팀과 국제공동연구를 통해 새로운 컴퓨팅 패러다임을 가져올 유체기반의 무발열 뉴로모픽 소자를 개발하였다고 4월 25일 발표했다.

고체소자를 기반으로 한 기존의 반도체 컴퓨팅 시스템은 서버시스템의 계산, 데이터처리, 추론 성능면에서 우수하나 그에 비례하여 발열과 에너지 소모량 또한 급격히 증가했다. 특히, 인공지능의 발달로 인한 데이터 수요 증가로 인해 발열 문제가 더욱 심각해져, 이를 낮추기 위해 서버를 바닷물이나 비전도성 유체에 담구는 액침냉각방식이 도입되기도 했다.

또한, 신경세포를 모사하고자 하는 뉴로모픽 컴퓨팅 소자에 대한 연구가 고체 소자 기반으로 이루어져 왔으나 전자와 이온 간의 에너지 변환이 매 연산마다 이루어져야 해서 에너지 소모가 크고, 발열 문제 해결에는 한계가 있었다. 하지만 뇌와 유사하게 유체환경에서 이온을 전달체로 하여 컴퓨팅할 수 있는 뉴로모픽 소자 제작이 이루어진다면 이러한 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

▲ 유체 내 시냅스와 기능과 환경이 유사한 유체기반의 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 개념도 

이를 위해 국제 공동 연구팀은 1,000억 개의 신경세포가 단지 20W 정도의 적은 에너지를 소모하면서도 우수한 데이터 처리와 추론성능을 갖춘 유체컴퓨팅 소자를 성공적으로 개발하였다. 이는 유체환경에서 이온을 전달체로 하여 발열 없이 매우 효율적으로 컴퓨팅을 하는 신경세포의 원리를 모사하였기 때문이다. 신경세포와 비슷한 숫자를 갖는 고체전자소자 기반 컴퓨팅의 경우 7.9 MW가 소요될 것으로 예측된다(Nature, Vol. 604, 2022, 255).

▲ 현미경으로 관측된 유체기반 뉴로모픽 소자 사진 

박정열 교수에 따르면 연구팀은 소프트 리소그래피 기술과 나노입자 자기조립화 기술을 활용하여 마이크로 채널 내에 비대칭형 이온 다이오드 소자를 구현하고, 이를 기반으로 유체환경에서 작동하는 휘발성 멤리스터(volatile memristor) 소자를 제작했다. 유체기반 멤리스터 소자는 이온 다이오드 내 비대칭적인 표면전하 분포로 인해 방향에 따른 차별적인 이온 거동을 보이는데 이는 특정 주기의 교류 입력 신호에 대해 매우 크고 안정적인 pinched hysteresis loop을 나타낸다. 이러한 이온의 거동은 나노입자의 크기, 표면전하, 마이크로 채널의 형상을 조절하여 폭넓게 자유롭게 조절할 수 있으며, 마이크로 채널의 길이와 비율을 조절하면 멤리스터 소자의 메모리 시간을 조절할 수 있다.

▲ 유체기반 뉴로모픽 소자를 활용한 4bit신호에 대한 전도도 분류 

▲ 유체기반 뉴로모픽 소자의 4bit-string 신호 분류 결과를 활용 2,000개의 손글씨 샘플에 대해 81%의 정확도로 분류 가능함을 입증 

박정열 교수는 “유체기반의 뉴로모픽 컴퓨팅 기술은 뇌신경세포의 환경 및 작동원리를 가장 가깝게 모사할 수 있는 시스템’으로 기존 전자기반의 단순한 2진법이 아닌 여러 종류의 신호를 활용한 병렬적 학습과 추론이 가능해지며, 궁극적으로는 사람 신경세포의 기능을 모사할 수 있다“ 라며, ”유체 내 환경에서 작동하기 때문에 기존 고체소자와는 달리 패키징 없이 생체물질과 직접적이고 생체 적합적인 인터페이스가 가능해져서 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 및 생체 삽입형 바이오센서 분야에도 활용이 가능할 것“이라고 기대감을 전했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자 지원사업과 환경부·한국환경산업기술원 생태모방기반 환경오염관리 기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 다학제간 연구분야 최고 권위지 중의 하나인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 24일 온라인 게재되었다. (제1 공동 저자 Utrecht 대학 Tim Kamsma, 서강대학교 김재현 박사)

▲ 왼쪽부터 제1공동저자 Tim Kamsma (Utrecht 대학), 제1공동저자 김재현 박사 (서강대학교), 공동 교신저자 R.H.H.G. (René) van Roij 교수 (Utrecht 대학), 공동 교신저자 박정열 교수 (서강대학교) 

▶ 논문링크 : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2320242121

▶ 논문제목 : Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels