[한국방송/최동민기자] 과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 원자력연 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지인 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 3월호에 게재됐다.

우주항공용 AI 뉴로모픽 반도체의 활용모식도(사진=과기정통부 제공)

최근 우주탐사 기술의 급격한 발전에 따라 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있도록 '내방사선' 특성을 확보하는 것이 핵심 과제로 떠오르고 있다.

이에 연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.

연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연의 양성자가속기를 이용해 33MeV(최대추출가치)급 고에너지 양성자 빔을 조사했다.

조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상(저궤도 위성의 수명이 보통 5~15년) 노출된 것과 같은 수준으로 했다.

우주항공용 AI 뉴로모픽 반도체의 양성자 조사 후 인식률 검증 모식도(이미지=과기정통부 제공)

이후 소자의 특성을 재평가한 결과, 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰됐으나 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성(뉴런 연결 강도 조절 능력)은 안정적으로 유지됨을 확인했다.

특히 방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식)에서 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 보여줬다.

또한 시계열 정보 처리에 적합한 레저버 컴퓨팅 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증해 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했다.

공동연구팀의 세 기관은 각각의 장점을 살려 대학(조병진 충북대 교수)이 소자 제작 및 특성 평가, 출연연(강창구 원자력연 책임연구원)이 양성자 조사 설계 및 분석을 담당했고, 해외 기관(유태진 벨기에 IMEC 박사)은 결과 해석을 지원했다.

연구팀은 "이번 연구는 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명했다"고 설명했다.

그러면서 "향후 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가로 연구하고 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화해 뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 덧붙였다.

오대현 과기정통부 미래전략기술정책관은 "이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례"라며 "대한민국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보해 자립할 수 있게 지속해서 지원하겠다"고 말했다.

문의: 과학기술정보통신부 원자력연구개발과(044-202-4647), 한국원자력연구원 첨단방사선연구소(063-570-3706)