우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 뉴런과 시냅스를 동시에 모사한 단일 소자 뉴로모픽(neuromorphic) 메모리를 개발했다.

 뉴로모픽 컴퓨팅(neuromorphic computing)을 간단하게 정의하자면 뇌가 동작하는 방식을 모사하는 컴퓨터라고 할 수 있다.

 기존의 연구들은 뉴런과 시냅스를 각각 개별적으로 구현하는 방식에 집중했다. 하지만 연구팀은 뉴런과 시냅스의 상호작용을 하나의 소자에 유기적으로 구현하는 것에 성공했다. 이처럼 뉴런과 시냅스를 정밀하게 모사하는 소자는 그 특성을 활용해 이미지 인식, 패턴 학습 등의 응용부터 시작해서, 센서·로봇과의 결합 등에도 활용될 수 있다.  

뉴로모픽 컴퓨팅

 뇌는 뉴런과 시냅스의 네트워크로 이루어져 있다. 이 뉴런과 시냅스의 기능과 네트워크를 통한 계산 방식을 컴퓨터에 도입한 것이 뉴로모픽 컴퓨팅이다. 

 인공신경망이 뇌를 모방한 소프트웨어라고 한다면, 뉴로모픽은 뇌를 모사한 하드웨어라고 할 수 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅의 최종적인 단계에서는 현재의 컴퓨팅 방식인 폰 노이만 방식을 대체 또는 보완할 수 있으리라 전망된다. 

 또한, 뉴로모픽 컴퓨팅의 분야는 뇌의 생물학적인 특성 및 구조를 어디까지 모사하는지에 따라서 다시 세분화된다. 해당 논문의 경우에는 뉴런과 시냅스가 단일 개체 단위에서 가지고 있는 가장 기초적인 특성들을 모사한다.
 

기존 연구와 그 한계는

 시냅스를 모사하는 연구는 2008년 멤리스터 소자*의 발견 이후부터 활발히 진행되었다. 상변화 메모리를 포함해서 비휘발성의 멤리스터 소자로 시냅스를 모사하는 연구가 대부분이었다.

 뉴런의 특성을 모사하는 연구 방식으로 최근 3-4년 동안 다수의 연구가 진행되었다. 주로 휘발성의 메모리 소자를 이용하는 방식이었다. 다만 기존의 연구들은 하나의 소자 또는 회로를 이용해서 뉴런과 시냅스를 각각 개별적으로 구현하는 것에 초점을 맞추고 있었다.

 하지만 실제 인간의 뇌에서는 뉴런과 시냅스는 개별적으로 동작하기보다는 서로 간의 상호작용을 통해서 기억이나 인지 능력의 기반을 만든다. 따라서 뉴런과 시냅스를 유기적으로 구현하는 것이 뉴로모픽 분야의 핵심 과제 중 하나였다. 

뉴런-시냅스 동시 모사 메모리

 연구팀은 뉴런과 시냅스를 동시 모사한 메모리를 개발했다. 이는 휘발성의 저항 변화 물질층과 비휘발성의 상변화 물질층이 차례대로 적층되어 있는 형태이다. 여기서 휘발성의 저항 변화 물질층은 뉴런에, 비휘발성의 상변화 물질층은 시냅스에 대응된다. 휘발성의 저항 변화를 이용해서 뉴런이 순간적으로 신호를 발산하는 특성을 모사하고, 비휘발성의 상변화를 이용해서 시냅스가 장기적으로 정보를 저장하는 특성을 모사하는 형태이다.

핵심 아이디어의 계기

 발상의 계기는 연구팀이 2015년에 진행한 연구였다. 연구했던 소자는 당시 소자는 뉴로모픽 컴퓨팅보다는 상변화 메모리의 전력 소모를 낮추는 것을 목표로 한 연구였다. 연구팀은 해당 소자의 구조에서 영감을 받아 휘발성의 저항 변화를 도입한다면 뉴런-시냅스의 연결성을 모사할 수 있을 것이라는 발상을 얻어 연구를 시작하게 되었다. 

 성상현 연구자는 “뉴런/시냅스의 특성을 모사하는 연구가 계속해서 발전해 나간다면 현재까지 밝혀지지 않은 뇌의 복잡한 메커니즘을 규명하는 데에도 도움을 줄 수 있을 것”이라 전했다. 

 또한 대학원 과정을 “계속된 실패를 거듭하며 조금씩 배워가는 과정”이라 정의하며, 끝까지 포기하지 말기를 바란다는 진심 어린 격려를 보냈다.