[AI칩] 3. 신경교의 별 세포 또는 성상세포

신경망을 모방하는 인공지능칩(AI Chip)·신경모방칩(Neuromorphic Chip) 기술개발 동향

[요약] 인간의 뉴런(Neuron)과 시냅스(Synapse)의 신경망(Neural Networks)을 모방하는 인공지능칩(AI Chip) 또는 신경모방칩(Neuromorphic Chip)을 개발하는 퀄컴, 인텔, IBM, 삼성전자, 알리바바 등의 특허분석을 소개하기에 앞서, (1) AI칩·신경모방칩을 개발하는 배경과 (2) 두뇌 신경망의 특징들인 가소성(Plasticity)·SNNs/JNNs·STDP와 LTP/LTD, 시냅스의 역할, 그리고 비-신경세포인 신경교의 역할 등 생물학적이고 화학적인 구조와 기능과 역할을 이해할 필요가 있다. 왜냐면 이러한 지식이 없으면 특허를 분석할 수도 없고 다음에 소개할 기업들의 특허분석 보고서를 이해할 수 없기 때문이다. 

추아(Chua, 1971)가 제안하고 HP의 연구원들이 2008년에 발견한 멤리스터(memristor)가 실제 존재하냐 아니냐의 논쟁도 다소 있지만, 향후 특허분석 보고서를 통해 소개하는 내용 중 멤리스터를 이용한 AI칩·신경모방칩을 연구하는 기업들이 있어 다소 긍정적인 관점에서 소개하려 한다. 왜냐면 AI칩·신경모방칩은 이제 시작이라는 점이다. 누가 어떤 물질(소자)을 갖고 뉴런과 시냅스와 같은 유기칩(Organic Chip)을 개발하는가가 중요하다. 멤리스터는 메모리(memory)와 저항기(resistor)의 합성어로 이전의 상태를 모두 기억하는 메모리 소자다. 

본 글에서는 획기적인 에너지 절감의 AI칩·신경모방칩에 도전하는 두 가지 사례를 소개하는데, 프랑스/미국의 스스로 학습하는 인공 고체 시냅스인 멤리스터 개발과 미국 스탠포드대의 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 인공 유기 시냅스 개발이다. 이 두 가지 사례는 앞으로 소개할 퀄컴, 인텔, IBM, 삼성전자, 알리바바 등의 특허분석을 이해하고 왜 AI칩·신경모방칩에 도전해야 하는지 이해하는 데 도움이 된다. 결론적으로 인간의 두뇌는 연산과 학습, 기억과 회상을 하는데 20W의 전력이 필요한데, 이를 모방해 저-전력의 칩을 개발하자는 것이다. 

[글 싣는 순서]
1. 배경(Background) – Edge AI <-> Cloud AI의 쌍방향 시대가 온다
2. 뉴런과 시냅스의 신경망
2-1. 뉴런과 시냅스, 연산과 학습과 저장(기억)을 동시에 처리
2-2. 가소성과 SNNs/JNNs과 STDP와 LTP/LTD
2-3. 시냅스의 역할

3. 비-신경세포인 신경교의 별 세포 또는 성상세포
4. 회로를 구성하는 4번째 요소인 멤리스터(memristor)란?
4-1. 추아(Chua, 1971)가 제안하고 HP의 연구원들이 발견(2008)
4-2. 멤리스터의 만능 기능, 토탈 리콜(Total recall)이 가능
4-3. 어떤 원리인가? 이력현상(hysteresis effect)
5. 획기적인 에너지 절감의 AI칩·신경모방칩에 도전하는 사례들  
5-1. 프랑스/미국, 스스로 학습할 수 있는 인공 고체 시냅스인 멤리스터 개발
5-2. 미국 스탠포드대, 신경모방 컴퓨팅을 위한 인공 유기 시냅스 개발



3. 비-신경세포인 신경교의 별 세포 또는 성상세포

100여 년 전 과학자들에 의해 최초로 서술된 두뇌의 세포는 두 가지였다. 하나는 뉴런(Neuron)이고 다른 하나는 그리스어로 아교(glue)라는 뜻의 신경교(glia, neuroglia)다. 

신경교란 아교와 같은 세포 물질로, 정보를 전도하는 뉴런의 정교한 구조들의 틈새를 막고(caulk) 뉴런들을 연결하는 비-신경세포다. 전에는 이 신경교 세포(glia cells)가 어떤 역할을 하는지 알 수 없어 발표된 논문 수가 극히 적다. 그동안 신경과학자들은 아교세포는 신경전달물질을 청소하고 신경세포에 영양분을 제공하는 보조적 구실을 하는 것으로 알고 있었다. 따라서 신경계 질환의 원인 분석과 치료 연구에 신경세포만이 주목 받은 이유다.

▲ 신경세포의 다이어그램, 자료: wikimedia, LadyofHats

획기적인 발견이 2008년에 이루어졌다. MIT 공대 과학자들이 신경교 세포는 알려진 것보다 더욱 복잡하고, 두뇌에서 뉴런만큼이나 중요한 역할을 하고 있으며, 그 결과 신경교 세포가 잘못되면 알츠하이머(치매) 같은 병을 일으킬 수 있다는 근거를 논문으로 밝혀 주목받고 있다(Schummers & Sur et al., 2008). 

MIT 공대의 연구원들은 실험을 통해 성상세포(astrocytes)라 불리는 신경교 세포의 한 종류가 시각 피질(visual cortex)에 있는 이웃 뉴런들이 하지 못하는 시각 자극(visual stimuli)에 반응하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 지금까지 밝혀진 것은 뉴런의 자극 반응이었지만, 이번에는 성상세포들이 자극에 반응한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 

더군다나 이번 연구는 성상세포들이 두뇌로의 혈액의 이동과 증가를 부추기는(sparking) 역할을 하고 있다고 밝히고 있는데, 이들 혈류(influx)의 이동과 증가는 바로 fMRI를 이용해 두뇌의 기능을 영상화하는데 중요한 신호를 제공하는 것이다. 결국 MIT 공대 연구원들이 fMRI를 이용해 성상세포가 두뇌로의 혈류의 이동과 증가를 담당하는 장본인임을 밝혀낸 것이다. 

IT 공대의 신경과학 교수인 서(Mriganka Sur)가 주도한 연구팀은 살아 있는 흰담비(live ferrets)의 시각 피질에서 시각 자극에 반응하는 두뇌 세포들(brain-cell responses)을 관찰했다. 고해상광현미경(high-resolution light microscopy)과 별 세포들과 이들의 활동을 조명하는 특별한 색들(special dyes)을 이용해 "우리는 하나의 뉴런이 반응하는 것이 무엇이고 뉴런 바로 옆에서 하나의 별 세포가 반응하는 것이 무엇인지, 이 두 가지 반응이 어떻게 다른지를 알아낼 수 있었습니다"라고 서 교수는 말한다(Technology Review, 2008). 

일반적으로 두뇌의 영상 시스템에서는 뉴런들은 서로 다른 입력에 아주 정교하게 반응한다. 어떤 뉴런들은 빛과 어둠의 가장자리를 감지하고, 어떤 뉴런들은 한 사물의 방향을 감지한다. 그러나 놀랍게도 별 세포들은 그들의 근접한 뉴런들이 하지 못하는 시각 자극에 반응하여 두뇌로 혈류의 이동 및 증가라는 특정 기능을 수행하고 있었다.

▲ 작동하고 있는 두뇌(Brain at work). fMRI와 고해상광현미경(high-resolution light microscopy)을 이용해 살아 있는 흰담비(live ferrets)의 시각 피질 내의 뉴런의 영역(초록색)과 별 세포들(자주색)의 영상 이미지. 별 세포들은 뉴런이 하지 못하는 시각 자극에 반응하여 두뇌로 혈류의 이동 및 증가를 조정. Scale bar, 100 마이크로미터, 출처: Courtesy of James Schummers and Hongbo Yu

MIT의 발표 이후 많은 과학자들이 신경교의 기능과 역할에 연구를 집중하고 있다. 한국의 연구사례를 보자. 한국과학기술연구원(KIST)의 신경교세포연구단의 이창준 박사와 단국대 운보은 교수를 중심으로 하는 공동연구팀은 억제성 신경전달물질인 '지속적 가바(Tonic GABA)'가 비-신경세포인 별 세포에서 합성되고 지속적으로 분비되어 신경세포의 활성을 조절하고 나아가 운동능력에 관여한다는 것을 밝혔다(Woo et al., PNAS, 2018). 

이번 연구는 사이언스(2010), 세계생리학회에(2014) 기 발표한 선행연구인 "비-신경세포에서 억제성 신경전달물질인 가바가 합성되고 분비된다"는 연구결과를 바탕으로 한 후속연구로, '지속적 가바'가 뇌에서 신경세포의 활성과 신호전달에 미치는 영향을 밝혔고, 그것이 운동조절이라는 생리적 역할과 직접적 연관이 있다는 것을 규명하여 비-신경세포가 뇌 기능 조절에 중요하게 작용함을 밝힌 것이다.

그러면 신경세포와 비-신경세포의 비율은 얼마나 될까? 어떤 과학자들은 중추신경계의 10%는 신경세포(뉴런)로 이뤄져 있고 나머지 90%는 비-신경세포인 아교세포(글리아)로 구성되어 있다고 하고, 반면 다른 과학자들은 30% 대 70%라고 한다. 아직 두뇌의 구조가 다 밝혀진 것이 아니기에 30% 대 70%라고 가정하는 것이 좋을 듯하다. 

▲ 뇌가소성, 사진: u.osu.edu

결론적으로 우리 두뇌의 신경망을 100% 모방하자면, 뉴런-시냅스뿐만 아니라 지금까지 밝혀진 70%의 비-신경세포까지 포함 시켜야 하고 무엇인가 밝혀질 +α도 포함 시켜야 하기에 갈 길이 멀다는 것이다. 아직 뉴런-시냅스도 완벽하게 밝혀진 것도 아니고 두뇌의 5%만 밝혀졌다고 보면 좋을 것이다. 

그러나 기다리지 말고 신경모방칩에 도전해야 한다. 그것도 학문을 융합하고 협력하고 오픈하고 공유하면서 효과적으로 준비할 필요가 있다. 

 

차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자 

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, (전)국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장 

[정리 이새잎 기자 ebiz@]