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사람의 뇌 구조를 모방한 반도체 칩이 나올 수 있을까. SK하이닉스(www.skhynix.com 대표 박성욱)는 13일 미국 스탠퍼드대학교와 강유전체 물질을 활용한 ‘인공신경망 반도체 소자 공동 연구개발’ 협약을 체결했다. 이 프로그램에는 반도체 장비업체 램리서치, 재료업체 버슘머티리얼즈가 공동 참여해 향후 뉴로모픽(Neuromorphic, 뇌신경 모방)칩 개발을 위한 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

뉴로모픽칩은 인공신경망 반도체 소자를 기반으로 사람 뇌의 사고과정을 모방한 반도체다. 최근 빅데이터 시대에 방대한 양의 데이터 중에는 사람과는 달리 기계가 쉽게 인식하기 어려운 비정형적인 문자·이미지·음성·영상 등이 혼재해 있다. 뉴로모픽칩은 이러한 비정형적인 데이터를 처리하는 데 효율적인 것으로 알려져 있다. 또한 기존 뉴로모픽 컴퓨팅에서 과도한 하드웨어 사용에 따른 속도 감소, 전력 소비 증가와 같은 단점도 보완 가능하다.

이번 공동연구는 기존 컴퓨팅 방식이 갖는 정보처리 양과 속도 한계를 뛰어넘는 중요한 출발점이다. 현재 시스템에서는 입력한 명령이 중앙처리장치(CPU)나 애플리케이션프로세서(AP) 등 로직 반도체를 지나 D램이나 낸드플래시와 같은 메모리반도체로 전달돼 순차적으로 수행된다.

반면 이번 공동연구를 통해 인공신경망 반도체 소자를 개발하고 이를 뉴로모픽칩까지 발전시킬 경우 궁극적으로 메모리반도체의 기능과 함께 시스템반도체의 연산 능력까지 갖춘 신개념의 컴퓨팅 시스템을 창출하게 된다. 외부에서 명령을 받아들였을 때 사람의 뇌와 같이 동시다발적인 연산과 정보처리가 컴퓨터 칩으로도 가능해진다.

이러한 칩 개발을 위해 기초가 되는 핵심 물질 중에 하나가 강유전체다. 강유전체는 전압을 가하지 않은 상태에서도 분극(Polarization) 상태를 유지할 수 있는 물질이다. 분극은 전기를 유전체에 흘려 음극(-)과 양극(+)을 만드는 것인데, 이는 데이터 저장 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’을 인식할 수 있다는 뜻이다. 뿐만 아니라, 강유전체는 전압 크기의 변화에 따라 분극 상태를 부분 조절할 수도 있어 데이터를 단순히 0이나 1로 구분하는 것보다 다양한 상태로 기억할 수 있는 것도 특징이다. SK하이닉스와 스탠퍼드는 이와 같은 특성을 이용해 인공신경망 반도체 소자를 개발하고, 이를 뉴로모픽칩 연구에 활용할 방침이다.

SK하이닉스 미래기술연구원장 홍성주 부사장은 “이번 공동연구는 소자·공정·장비·재료·설계 등 각 참여자의 장점을 최대한 활용해 인공신경망 반도체 소자의 개발을 가속화 할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 스탠퍼드 요시오 니시 교수 역시 “학계에서는 강유전체에 대한 많은 연구를 축적해 물질에 대한 이해도가 높아 공동연구의 전망이 밝다”고 전하며 “미래 인공지능 시대를 여는데 시금석이 될 것”이라고 전망했다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com