[2016 06] 이태우 교수 고에너지 효율의 유기 나노섬유 인공 시냅스 소자 개발

admin | 2016.07.11 15:59 | 조회 197



▲ 왼쪽부터 이태우 교수, 서문도 교수, 민성용 박사

인간 두뇌 기능을 완벽하게 모방할 수 있는 인공지능(AI) 시스템 개발은 과학자들의 오랜 꿈이자 연구 대상이다. 국내 연구팀이 AI를 앞당길 기반 연구에 성공했다.

이태우 포스텍(POSTECH) 신소재공학과 교수(교신저자), 서문도 연구 교수(제1저자), 민성용 박사로 구성된 연구팀이 유기 나노섬유를 이용한 인공 시냅스 소자를 개발했다.

연구팀은 최근 두뇌 신경망을 이루는 생체 시냅스를 모방한 섬유 형태에서 주요 기능을 구현하는데 성공했다고 밝혔다. 이 기술은 생체 두뇌와 마찬가지로 에너지를 적게 소비, 눈길을 끌었다.

최근 AI에 대한 관심이 크게 높아짐에 따라 여러 전자소자를 이용한 시냅스 기능 모사 연구가 진행되고 있다. 하지만 인공 시냅스 소자 개발 속도는 답보 상태에 머물러 있다.

인간 두뇌 속 신경망은 촘촘하고 정밀한 섬유 형태로 구성돼 있어 이를 그대로 구현하기 어려울 뿐만 아니라 생체 시냅스처럼 낮은 전력에도 시냅스 기능을 그대로 유지하는 인공시냅스 소자 개발은 난제로 여겨지고 있다.

연구팀은 사람의 머리카락보다 1000배 이상 가는 유기 나노섬유를 이용해 소자를 만들면서 고밀도, 초저소비전력 두 가지 문제를 동시에 해결했다.

형태가 신경섬유와 유사한 이 소자는 인간의 두뇌처럼 밀도가 높은 메모리를 구현할 수 있으며, 재료 특성 때문에 다른 소자에 비해 적은 양의 에너지로 작동한다.

연구팀은 독자 기술인 전기장 보조 로보틱 나노섬유 프린팅 기술로 소자의 사이즈를 대폭 줄여서 전력 소비를 크게 낮추는 데에도 성공했다.

유기 나노섬유의 위치와 방향을 정확히 제어하면서도 적층 제조법(additive printing)으로 대량 생산이 가능, 3차원 신경망으로 구성된 인간의 두뇌 기능을 모방한 전자소자 시스템 구현에 효과가 매우 높다.

연구팀이 개발한 인공 시냅스 소자는 두뇌가 생체 시냅스의 작용으로 기억을 형성하듯 AI 시스템 메모리에 필수인 `단기 강화(short-term potentiation)` `장기 강화(long-term potentiation)` 등 주요 기능 모사에 성공했다.

지금까지 연구에서 걸림돌로 작용한 전력 효율성도 크게 개선, 생체 시냅스와 동일한 수준의 적은 전력으로 작동하는 인공 시냅스 소자를 개발했다는 점에서 주목을 받았다. 이 교수팀의 연구는 세계 권위 국제학술지인 `사이언스`의 새로운 자매지 `사이언스 어드밴시스` 최신호에 실렸다.

이태우 교수는 “생체 모방 AI 시스템 개발에서 큰 난제의 하나인 메모리 밀도와 소비 전력을 크게 개선, 앞으로 도약을 이끌 수 있는 기반 기술이라는 데 의의가 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망 융합기술 파이오니어 사업의 `뉴로모픽 반도체 소자 응용기술` 연구단과 미래부가 추진하고 있는 글로벌프런티어사업 `나노기반 소프트일렉트로닉스` 연구단의 지원으로 수행됐다.




"Artificial Synapses" Could Let Supercomputers Mimic the Human Brain

Large-scale brain-like machines with human-like abilities to solve problems could become a reality, now that researchers have invented microscopic gadgets that mimic the connections between neurons in the human brain better than any previous devices.
The new research could lead to better robots, self-driving cars, data mining, medical diagnosis, stock-trading analysis and "other smart human-interactive systems and machines in the future," said Tae-Woo Lee, a materials scientistat the Pohang University of Science and Technology in Korea and senior author of the study.
The human brain's enormous computing power stems from its connections. Previous research suggested that the brain has approximately 100 billion neurons and roughly 1 quadrillion (1 million billion) connections wiring these cells together. At each of these connections, or synapses, a neuron typically fires about 10 times per second.
In principle, the human brain can perform about 10 quadrillion operations per second. In comparison, the world's fastest supercomputer, Tianhe-2 in China, is capable of carrying out up to about 55 quadrillion calculations per second, according to the TOP500 project, which ranks the 500 most powerful computers in the world. However, previous research suggests that the human brain consumes only about 20 watts of power, which is barely enough to run a dim light bulb, whereas Tianhe-2 consumes about 17.8 megawatts of power, which is enough to run about 900,000 such light bulbs, TOP500 notes. [7 Clever Technologies Inspired by Nature]
Scientists would like to build computers that mimic the human brain'spower and efficiency. "Development of artificial synapses with comparable behaviors of biological ones will be a critical step," Lee told Live Science.
Until now, artificial synapses consumed much more energy than biological synapses do. Previous research suggested that biological synapses consume about 10 femtojoules every time a neuron fires. Now, Lee and his colleagues have created artificial synapses that require only about 1.23 femtojoules per synaptic event, making them the lowest-energy artificial synapses developed yet, they said. (For comparison, a small apple falling about 3.3 feet (1 meter) to Earth would generate about 1 quadrillion femtojoules of kinetic energy.)
This research suggests that the "energy consumption and memory density of artificial brains will ultimately rival, and even exceed, [those of] biological brains in the future," Lee said.
These new artificial synapses are a kind of transistor, or electronic switch. By flicking on and off, they can mimic how a synapse fires.
The researchers fabricated 144 synaptic transistors on a 4-inch (10-centimeter) wafer. At the heart of these devices are wires that are 200 to 300 nanometers (billionths of a meter) wide. (For comparison, the average human hair is about 100,000 nanometers wide.) The small features of the devices help to lower the amount of energy they consume, the researchers said. [5 Amazing Technologies That Are Revolutionizing Biotech]
The new devices are made out of one kind of organic material wrapped around another. These materials help the artificial synapses trap or release electrically charged ions, mimicking how biological synapses work, and how an electric switch can be flicked on or off, the researchers explained.
The artificial synapses mimic the structure of actual human nerve fibers' long shape and flexibility. In principle, the researchers could also arrange these devices in 3D grids, somewhat imitating the human brain, Lee said. However, advances in 3D printing are needed to create such 3D grids of artificial synapses, he added.
The researchers are now working to develop organic nanowires only a few dozen nanometers wide, Lee said. They also think that they can reduce synaptic transistor energy consumption even further by tinkering with the selection and structure of the materials they use, he added.
The scientists detailed their findings online June 17 in the journal Science Advances.

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