빛의 속도로 동작하는 인공지능 소자 개발
- 서울대 연구진, 초고속 연산이 가능한 인공지능 소자 설계 성공 -

□ 국내연구진이 4차 산업혁명의 핵심적 기술인 인공지능 구현을 위한 뉴로모픽 광(光)뉴런 소자설계에 성공했다.
□ 서울대학교 박남규 교수, 유선규 박사, 박현희 박사 연구팀이 고속 연산 인공지능 구현을 위해, 두뇌의 기본 단위인 뉴런의 동작을 빛의 흐름으로 모사하는 데 성공하였다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
  ㅇ 이는 기존 반도체의 한계를 뛰어넘는, 초고속-저전력 뉴로모픽 반도체 소자 개발의 전기가 되는 연구성과로 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=12.441) 온라인판에 6월 3일 게재되었다.
   ※ 논문명: Neuromorphic Functions of Light in Parity-Time-Symmetric Systems
   ※ 저자정보: 유선규, 박현희, 박남규(서울대) 포함 총 3명
□ 우리 뇌의 뉴런 세포는 전자회로의 트랜지스터와 같은 역할을 하는 신경계의 단위 프로세서라고 할 수 있다.
  ㅇ 뇌의 학습 및 기억 능력은 뉴런 각각의 신호 처리 기능이 복잡한 신경망 네트워크를 통해 연계되어 구현되는데,
   - 최근 주목받는 딥러닝 기반 인공지능 기술은 두뇌의 뉴런 네트워크를 컴퓨터 프로그램을 통해 소프트웨어적으로 모사한 것으로,안정적・효율적으로 인공지능을 구현하기 위해서는 소프트웨어적 접근 이외에, 뉴런의 동작과 네트워크 자체를 하드웨어적으로 모사한 인공지능 전용 뉴로모픽* 칩의 개발도 필수적이다.
    * 뉴로모픽(Neuromorphic) 기술: 생물학적 신경계 시스템에서의 신호 처리를 반도체 및 광학 분야 등의 하드웨어 시스템을 통해 모사하는 기술을 의미한다.
□ 한편, 최근 반도체 전자회로의 나노 공정이 수 나노미터로까지 미세화됨에 따라 필연적으로 발열과 속도의 한계는 반도체 소자의 성능 향상에 근본적인 제약이 되고 있으며, 이는 뉴로모픽 반도체 “전자”회로 구현에도 궁극적인 제한요소가 될 것으로 예상된다.
  ㅇ 반면에, “전자”가 아닌 “빛”으로 연산하는 뉴로모픽 소자는 발열이 없는 저전력 및 초고속 동작이 가능하다는 점에서 매사추세츠공과대학(MIT), 스탠퍼드 대학 등 세계 유수의 연구기관에서 활발히 연구를 진행하고 있다.
□ 연구진은 패리티-시간 대칭*이라는 특이한 물리적 대칭성을 만족하는 증폭/손실 물질에 시간 대칭성을 제어하는 비선형성**을 추가한 메타물질***을 활용하여, 단위 뉴런의 다양한 연산 기능들을 광학적인 신호처리로 모사, 재현하는 데에 성공하였다.
    * 패리티-시간 대칭 (Parity-Time Symmetry): 어떤 시스템에 공간상 반전 및 시간 축의 역전을 동시에 가했을 때 해당 시스템이 원래 시스템과 동일한 경우를 나타내는 대칭성이다. 해당 대칭을 만족하면 시스템 내에서 에너지의 이득 및 손실이 있더라도 전체 에너지 상태는 안정적일 수 있다고 알려져 있다. Nature Physics에서 2015년 지난 10년간 10대 물리적 발견으로 선정된 개념이다.
    ** 비선형성(Nonlinearity): 입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 특성이다. 빛은 전자기파의 특성을 결정하는 맥스웰 방정식에 의해 선형적 특성을 가지지만, 빛 전파 매질의 특성 및 빛의 세기에 따라 비선형성을 가질 수 있다.
    *** 메타물질(Metamaterial): 인위적 매질의 배열 구조를 통해 자연계에 존재하지 않은 특성을 가지도록 설계된 물질로서, 투명망토 등에 응용된다.
□ 연구진은 빛의 세기에 따라 입력값과 출력값이 달라지는 비선형성을 갖는 메타물질을 개발하고, 이를 두뇌 내 뉴런과 같은 나트륨 채널과 칼륨 채널에 대응시킴으로써, 뉴로모픽 광소자에서의 신경 신호 처리를 광속으로 구현하는데 성공하였다.
  ㅇ 특히, 전기 신호가 외부 잡음에도 흔들림 없이 안정적 세기를 유지하는 등 뉴로모픽 및 두뇌 모사 메모리 소자에서 필요로 하는 다양한 기능들을 빛의 흐름으로 구현할 수 있음도 이론적으로 확인하였는데, 이는 세계 최초로 빛의 속도로 동작이 가능한 초고속 뉴런 모사 광소자의 설계 개념을 정립한 것이다.
□ 연구를 주도한 박남규 교수는 “본 연구에서는 생물학적 구조의 동작 원리를 물리적 대칭성을 통해 해석하고, 이를 이용해 새로운 광학 소자를 설계하는 다학제적인 접근 방식을 적용하였다”며,
  ㅇ “뉴로모픽 회로의 단위 소자인 뉴런의 기능들을 빛을 신호 전달체로 하여 구동할 수 있게 함으로써, 초고속 뉴로모픽 소자 및 인공지능 개발에 전기가 되는 것은 물론, 구현된 각 기능들은 높은 안정성을 갖는 레이저 등에도 응용이 가능하다“고 밝혔다.
□ 이 연구성과는 과기정통부 글로벌프런티어사업(GFP, 파동에너지 극한제어 연구단)과 교육부 대통령Post-Doc.펠로우십 과제(PPD) 사업, 해외우수신진연구자유치사업(KRF)의 지원을 받아 수행되었다.