<박남규 서울대 교수팀이 뉴런의 채널을 모사한 새로운 뉴로모픽 광소자를 개발했다. -사진제공 과학기술정보통신부>

국내 연구팀이 빛의 흐름을 이용해 뇌를 구성하는 기본 단위인 신경세포(뉴런)의 동작을 모사하는 데 성공했다. 빛을 이용해 속도가 빠르고, 기존의 전자 기반 소자와 달리 발열이 많지 않아 뇌를 닮은 인공지능(AI) 컴퓨터를 만들기 위한 저전력 고효율 반도체 소자 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

박남규 서울대 전기컴퓨터공학부 교수와 유선규, 박현희 연구원팀은 뉴런의 동작과 신경망 네트워크를 전자가 아닌 빛 알갱이(광자)의 움직임을 이용해 모사한 새로운 개념의 ‘뉴런 모사 광소자’를 세계 최초로 설계해 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 3일자에 발표했다. 

현재 AI를 구현하기 위한 기술은 크게 두 가지가 있다. 최근 가장 각광 받고 있는 ‘딥러닝’은 신경망을 소프트웨어를 이용해 구현한 기술로, 빠른 속도로 발전하며 성과를 내고 있지만 하드웨어 자체는 기존의 컴퓨터를 활용해야 해 많은 양의 에너지가 소모되고 발열도 많다는 단점이 있다. 박 교수는 “이미 2007년 ‘무어의 법칙’의 주인공 무어가 10~15년 뒤 무어의 법칙이 한계에 도달할 것이라고 예측했다”며 “반도체 나노공정이 3~5nm 공정에 가면 전자끼리의 간섭으로 발열이 심해진다”고 말했다. 뇌가 작은 발광다이오드(LED) 램프 하나를 켤 정도의 적은 전력(20W 미만)으로 복잡한 연상과 학습, 기억을 하는 것과 대비된다.

이런 단점을 해결하고자 하드웨어 자체를 뉴런과 비슷하게 모사하는 ‘뉴로모픽 컴퓨터’도 최근 연구되고 있다. 뉴로모픽은 ‘뇌를 닮은’이라는 뜻으로, 말 그대로 소자를 이용해 뉴런의 동작과 연결망을 모사한다. 기존 컴퓨터보다는 전력소모량 대비 속도를 100배 개선했지만, 여전히 전자를 이용하는 소자로서 발열 문제는 일부 남아 있다.

박 교수팀은 아예 전자 대신 광자를 쓰는 새로운 개념의 뉴로모픽 소자를 개발했다. 먼저 빛의 세기에 따라 입력 값과 출력 값이 달라지는 특이한 성질을 가지는 물질을 만들었다. 소자의 표면 구조를 복잡한 패턴으로 설계해 빛이 지나가면서 독특한 성질을 갖도록 변화하게 만든 것이다. 이를 ‘메타물질’이라고 한다.

박 교수팀은 이렇게 만든 메타물질을 2개 만든 뒤 뉴런에서 신경신호를 발생시키는 나트륨 채널과 칼륨 채널에 각각 대응시켜서 뉴로모픽 광소자에서 신경신호를 처리하도록 하는 데 성공했다. 연구팀은 전기신호가 외부 잡음에도 방해 받지 않고 안정적으로 세기를 유지한다는 사실도 확인했다.

박 교수는 “기존에는 뉴런이 갖는 여러 기능 가운데 신호를 발생시키는 기능만 갖추고 있어 장기기억 등의 추가 기능을 모사하기 어려웠다”며 “이번에 세계 최초로 두 개의 채널을 모사하고 장기기억 기능도 가지며 여러 채널의 동기화까지 가능한 뉴로모픽 광소자를 완성해 이런 문제를 해결했다”고 말했다.

박 교수는 “광소자는 아직 크기를 작게 만드는 데 어려움이 있어 기존 소자를 모두 대체하는 것은 아니다”며 “장기를 발휘할 수 있는 분야에 특화된 AI 컴퓨터를 만드는 데 이용될 수 있을 것”이라고 말했다.

윤신영 기자