성균관대 조새벽·양우석 교수와 연세대 조정호 교수 공동 연구팀이 빛의 파장을 이용해 기억 강화와 기억 약화를 독립적으로 구현하는 ‘광시냅스 뉴로모픽 반도체’를 개발했다. 한국연구재단이 이 성과를 10일 공식 발표했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 5월 18일자에 게재됐다. AI 성능이 높아질수록 전력 소비가 급증하는 문제를 해결하기 위해, 뇌처럼 기억과 연산을 동시에 처리하는 뉴로모픽 컴퓨팅이 대안으로 부상한 가운데 나온 성과다.
연구팀은 차세대 광반도체 소재인 ‘은비스무트황화물’의 금속 이온 결함을 정밀 조절해 전기 신호를 보존하는 일종의 저장 구조를 만들었다. 그 위에 근적외선만 선택적으로 흡수하는 분자층을 나노미터 수준으로 적층한 이종접합 구조를 구현했다. 두 층은 흡수하는 빛의 파장과 에너지 준위가 달라, 근적외선을 비추면 시냅스 강도가 13배 이상 높아지는 기억 강화가 일어나고, 청색광을 비추면 결함에 갇힌 전자가 해방되면서 기억이 약화된다. 하나의 소자 안에서 두 기능을 완전히 독립적으로 제어할 수 있게 된 것이다.
기존 광시냅스 소자는 학습을 강화하는 기능과 망각을 유도하는 기능을 동일한 스위치로 조절해 두 기능이 서로 간섭하는 문제가 있었다. 반복 학습 시 기억이 한쪽으로 치우쳐 과부하가 걸리거나 정보가 소멸하는 불안정성도 풀어야 할 과제였다. 이번 연구는 반도체 소자에서 통상 제거 대상으로 여겨지던 결함 상태를 오히려 기억 항상성을 유지하는 기능 요소로 전환해 이 문제를 해결했다는 점에서 주목받는다. 조새벽 교수는 앞으로 이 연구를 스스로 학습 균형을 유지하는 저전력 AI 반도체로 발전시킬 계획이라고 밝혔다. 광시냅스는 초저전력·고속 동작과 대규모 병렬처리가 가능해 차세대 AI 가속기와 물리적 AI 구현의 핵심 소자로 평가받는다.
