연세대 권장연 교수팀, 뇌 신경전달물질 수송 방식 모방한 AI 소자 개발 … 에너지효율 높인 AI 개발에 새 지평

연세대학교는 IT융합공학과 권장연 교수 연구팀이 인간 뇌의 신경전달 과정에서 중요한 수소이온 활성 효과를 모방한 인공지능(AI) 소자를 세계 최초로 개발했다고 14일 밝혔다.

이번에 개발된 소자는 이중 전압 입력을 통해 뇌 속 신경전달물질이 이동하기 전 단계의 과정을 재현해 에너지 효율과 판단 능력을 높이는 데 중점을 두고 있다. 이 연구는 뉴로모픽 칩, 자율주행자동차 등 AI 기술에 활용될 핵심 기술로 주목받고 있다.

인간의 뇌는 매일 방대한 양의 정보를 매우 적은 에너지를 사용해 효율적으로 저장하고 처리한다. 뇌는 2.5페타바이트(약 1000조 페이지의 텍스트)의 정보를 처리하면서도 단 20와트(W)의 에너지만을 소비한다. 그러나 현재의 AI 시스템은 수천 개의 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU)가 협력하며 수백 메가와트(㎿)에 달하는 전력이 필요하다. 이 차이를 줄이기 위해 연구자들은 뇌의 신경망 시스템을 모방한 인공 신경망 개발에 집중하고 있다.

권 교수 연구팀은 기존 연구가 뉴런 간 연결 구조를 단순히 모방하는 데 그친 것에서 나아가 생체 물질인 펩타이드를 사용해 실제 신경전달물질의 수송 전 준비단계인 수소이온 활성 과정을 정밀하게 모사한 AI 소자를 개발했다.

연구팀은 공기 중 수소를 모아 전달할 수 있는 팔라듐 전극을 새롭게 소자에 적용했다. 팔라듐 전극은 전압을 가했을 때 수소이온을 분비하는데, 이 특성을 활용해 소자가 마치 인간 뇌의 신경처럼 신호를 주고받는 효과를 구현했다. 이를 통해 AI 소자가 뇌의 정교한 신호 전달 방식을 모방할 수 있게 했다.

또한 이 소자는 수소이온 입력을 통해 인공 시냅스 소자의 학습과 기억 능력을 조절할 수 있는 기능을 갖췄다. 가령 이 소자를 사용하면 높은 학습 정확도를 보이는 고정밀 모드와 높은 전력효율을 가지는 저전력 모드를 자유롭게 전환할 수 있다. 이런 기능은 뇌의 복합적인 작동 방식을 모방해 단일 소자로 다양한 성능을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

권 교수는 "이번 연구는 인간 시냅스의 구조를 모방하고자 하는 기존 뉴로모픽 연구의 틀에서 벗어나 실제 신경전달물질이 수송되는 메커니즘을 모사했고, 구동 입력을 통해 전기적 특성을 조절할 수 있는 소자를 구현했다는 점에서 의의가 있다"며 "자연 모방적인 접근법을 통해 AI 반도체 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 연구팀은 앞서 2020년 타이로신의 산화-환원 활성 특성을 활용해 아미노산 조합을 구성하고 시냅틱 소자를 제작한 바 있다. 이 연구에서 습도에 따라 펩타이드 박막의 저항값이 크게 변화하는 특성을 활용해 전압과 습도의 입력을 통해 수소이온-전자 기반의 다중 입력 구동 인공 시냅스를 세계 최초로 개발했다.

이번 성과는 이러한 연구의 연장선에서, 수소이온을 통한 구동 입력을 통해 전기적 특성을 정밀하게 조절할 수 있는 AI 소자를 세계 최초로 개발하며 뉴로모픽 연구 분야의 새 지평을 열었다.

이번 연구 성과는 반도체 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 지난 5일 게재됐다. 윤정현 연구원이 이번 논문의 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단에서 약 3년간의 지원을 받아 진행됐다.