한국원자력연구원(이하 원자력연)이 가혹한 우주방사선 환경에서 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다.
원자력연 첨단방사선연구소는 충북대, 벨기에 IMEC와 공동연구로 차세대 반도체 물질인 ‘인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)’ 기반 시냅틱 트랜지스터(Synaptic Transistor)를 제작해 우주 환경에서 AI 반도체 활용 가능성을 확인했다.
최근 우주탐사 기술이 급격히 발전하면서 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주방사선을 견디는 내방사선 특성 확보가 핵심 과제로 부상했다.
연구팀은 인간 뇌 신경세포 간 신호를 전달하는 시냅스를 모방해 저전력으로 고효율 연산을 수행하는 시냅틱 트랜지스터에 주목했다.
연구팀은 얇고 투명하며 전기적 특성이 우수해 차세대 디스플레이 핵심 물질로 꼽히는 IGZO를 활용해 소자를 구현, 원자력연 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했다.
이는 보통 수명이 5~15년인 저궤도 인공위성을 고려, 우주 방사선에 20년 이상 노출한 것과 같은 수준으로 설정했다.
실험결과 소자 구동 전류가 일부 감소하는 성능 저하에도 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴런 연결 강도를 조절하는 시냅스 가소성은 안정적으로 유지했다.
또 방사선 노출 상태에서 진행한 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식) 결과 92.61%의 높은 인식 정확도를 기록했다.
이와 함께 시계열 정보 처리에 적합한 리저버 컴퓨팅 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증하며 실질적인 우주 활용 가능성을 제시했다.
이번 연구에서 조병진 충북대 교수팀은 소자 제작과 특성 평가를, 강창구 원자력연 책임연구원팀은 양성자 조사 설계와 분석, 유태진 벨기에 IMEC 박사는 결과 해석을 담당했다.
강 책임연구원은 "이번 연구는 고에너지 방사선 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로 기능할 수 있음을 증명한 것"이라며 "성능저하 보완 기술을 연구해 우주항공용 AI 반도체 분야 핵심 기술로 발전시키겠다"고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 3월호에 게재됐다.
(논문명: High-energy proton-radiation tolerance in IGZO synaptic transistors)
