▲ 수직배향 이차원 할라이드 페로브스카이트 뉴로모픽 소자 연구 개념도 및 동작 원리

국내 연구진이 뇌의 구동방식을 본뜬 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 소자를 위한 유연하고 제작 단가가 낮은 소재를 개발해, 반도체 산업에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 서울대 장호원 교수 연구팀이 성균관대, 포항공대 연구팀과 공동으로 차세대 반도체 소재로 각광받는 뇌처럼 작동하는 뉴로모픽 소자를 개발했다고 14일 밝혔다.

기존 디지털 방식의 폰노이만 구조 컴퓨팅은 방대한 연산에 따른 막대한 에너지 소모와 비효율적 메모리, 집적도 한계 등의 문제가 있었다.

이에 인간 뇌의 작동원리를 모사해 저전력으로 구동할 수 있는 뉴로모픽 소자에 적합한 반도체 소재 연구가 활발하다.

뉴로모픽 소자란 기존 디지털 트랜지스터와 달리 뇌가 수행하는 기억과 인식의 방법처럼 시냅스의 작동방식을 모사, 입력 신호의 이력에 따라 저항상태가 변화하여 저장되는 비휘발성 다차원 스위칭 소자다.

할라이드 페로브스카이트는 유연하면서 제작단가가 상대적으로 낮아 뉴로모픽 컴퓨팅과 비휘발성 저전력 메모리 반도체 기술 등에 적합할 것으로 주목받지만 다결정질 박막구조로 제어가 쉽지 않고 수분에 약해 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이온이동을 원활히 제어하고자 2차원 결정 구조를 전극에 수직 방향으로 성장시키는 방식을 택했다. 이를 통해 기존에 비해 선형성, 대칭성 및 신뢰성이 월등히 향상된 결과를 얻었다.

제작된 소자를 기반으로 작동되는 회로에서 인공지능 알고리즘이 잘 작동하는지 평가한 결과, 손 글씨로 써진 숫자를 96.5%의 정확도로 인식하고 의류의 종류를 86.5%로 정확히 인식했다. 이론적 한계 값의 1% 내외 오차범위로 높은 수준의 인식률을 보였다.

특히 할라이드 페로브스카이트 멤리스터 상용화의 가장 큰 장벽이던 수분 불안정성 및 저신뢰성의 한계를 극복, 대기 중에서 수개월 동안 작동이 가능함을 실험을 통해 검증했다.

장호원 서울대 교수는 “기존 CPU 성능을 넘어선 뇌처럼 작동하는 컴퓨팅 칩을 개발하고자 이번에 제작한 소자를 집적회로 공정에 적용해 프로그래밍이 가능한 칩을 설계하는 연구를 지속할 계획이다”이라고 전했다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업과 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 머티리얼스 투데이(Materials Today)에 연구논문으로 11월 23일 온라인 게재됐다.