원자력연, 충북대·IMEC와 공동 연구
차세대 소자 우주 활용 가능성 검증
▲ 우주항공용 AI 뉴로모픽 반도체의 양성자 조사 후 인식률 검증 모식도. 원자력연 제공
국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 AI 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔다. 최근 우주 탐사 기술의 급격한 발전에 따라 인공지능(AI)과 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있도록 ‘내방사선’ 특성을 확보하는 것이 핵심 과제로 떠오르고 있는데 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나갈 교두보를 확보했다는 평가를 받고 있다.
이번 연구엔 한국원자력연구원 첨단방사선연구소와 충북대, 벨기에 IMEC가 참여했다. 공동 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작하고 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다. 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)은 얇고 투명하며 전기적 특성이 우수해 차세대 디스플레이 및 논리 소자의 핵심 물질로 꼽힌다. 또 시냅틱 트랜지스터는인간 뇌의 신경세포 간 신호전달을 위한 접합 부위인 ‘시냅스’를 모방해 저전력으로 고효율 AI 연산을 수행하는 소자를 말한다.
연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연의 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했다. 조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상(저궤도 위성의 수명이 보통 5~15년) 노출된 것과 같은 수준으로 설정했다. 이후 소자의 특성을 재평가한 결과 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하가 관찰됐지만 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성(뉴런 연결 강도 조절 능력)은 안정적으로 유지된다는 것을 확인했다.
특히 방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식)’서 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다. 또 시계열 정보 처리에 적합한 ‘레저버 컴퓨팅’ 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증, 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했다.
이번 연구 결과는 국제학술지인 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 3월호에 게재됐다.
이기준 기자 lkj@ggilbo.com
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