극한 환경 견디는 인공지능 반도체 소자 세계 최초 성능 검증 성공

- 차세대 인공지능 반도체 소자의 우주 활용 가능성 검증

- 내 방사선 반도체 국산화 목표, 과기정통부 R&D 사업 성과

우주항공용 인공지능 뉴로모픽 반도체의 양성자 조사 후 인식률 검증 모식도. (자료제공: 과기정통부)

우주항공용 인공지능 뉴로모픽 반도체의 활용모식도. (자료제공: 과기정통부)

과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈, 이하 ‘과기정통부’)와 한국원자력연구원(원장 주한규, 이하 ‘원자력연’)은 원자력연 첨단방사선연구소와 충북대학교(총장 고창섭), 벨기에 IMEC 공동연구팀이 과기정통부 지원을 통해 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 3월 19일 밝혔다.

최근 우주 탐사 기술의 급격한 발전에 따라, 인공지능(AI)과 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있도록 ‘내 방사선’ 특성을 확보하는 것이 핵심 과제로 떠오르고 있다. 이에 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작하여 우주 환경에서의 인공지능 반도체 활용 가능성을 검증하였다.

연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤, 원자력연의 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사하였다. 조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상(저궤도 위성의 수명이 보통 5~15년) 노출된 것과 같은 수준으로 하였다. 이후 소자의 특성을 재평가한 결과, 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰되었으나 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 뉴런 연결 강도 조절 능력(시냅스 가소성)은 안정적으로 유지됨을 확인했다.

특히 방사선 노출 상태에서의 인공지능 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 모의실험(시뮬레이션)(MNIST 손 글씨 인식)’에서 92.61%의 높은 유형(패턴) 인식 정확도를 기록하였다. 또한 시계열 정보 처리에 적합한 ‘레저버 컴퓨팅’ 시스템을 구현하여 4비트 연산 능력을 입증함으로써 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시하였다.

연구팀은 “이번 연구는 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명한 것”이라며 “향후 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가로 연구하고, 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화하여 뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 인공지능 반도체 분야의 핵심 기술로 발전시켜 나갈 계획이다”라고 밝혔다.

과기정통부 오대현 미래 전략 기술 정책관은 “이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 인공지능 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례”라며 “대한민국이 우주·항공용 인공지능 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보하여 자립할 수 있도록 지속적으로 지원하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 지원사업을 통해 수행되었다. 공동연구팀의 세 기관은 각각의 장점을 살려 대학(충북대 조병진 교수)이 소자 제작 및 특성 평가를, 출연연(원자력연 강창구 책임연구원)이 양성자 조사 설계 및 분석을 담당하였고, 해외 기관(벨기에 IMEC 유태진 박사)은 결과 해석을 지원하였다. 

이번 연구 결과는 국제학술지인 ‘반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)’ 3월호에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]