MIT, 기억하고 연상하는 인공 ‘브레인 칩’ 개발

▲ 브레인 온 어 칩(brain-on-a-chip) 확대 그림. [출처: MIT]

MIT 기계공학 김지환 부교수 팀이 칩에 수만 개 인공 뇌 시냅스를 넣어 사람처럼 기억과 연상을 하는 ‘브레인 온 어 칩(brain-on-a-chip)’을 설계했다. 브레인 칩이 상용화되면 인터넷과 클라우드 연결 없이 인공두뇌 휴대용 기기 개발도 가능해질 전망이다.

브레인 칩은 멤리스터라고 알려진 인간 뇌에서 정보를 전달하는 시냅스를 모방한 수만개 인공 뇌 시냅스를 칩 하나에 넣었다.

연구 결과(논문명: Alloying conducting channels for reliable neuromorphic computing)는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 8일(현지시각) 실렸다.

▲ 은-구리 합금으로 만들어진 수만 개 인공 시냅스(멤리스터)가 집접된 브레인 칩 (왼쪽 위). 각 멤리스터가 영화 캡틴 아메리카에 등장하는 방패의 흑백 이미지를 ‘기억’ 시키고 ‘재현’하는 데 성공했다. [출처: Nature Nanotechnology]

멤리스터(memristor)는 메모리(Memory)와 저항(Resister)의 합성어로 전류 흐름을 방해하는 저항기와 같은 형태를 보인다. 멤리스터는 사람의 뇌와 비슷하게 뇌의 신경망을 구성하는 시냅스처럼 작동해 인지기능을 수행한다. 

멤리스터는 논리 연산 장치와 기억 소자의 두 가지 역할을 가지고 있다. 기억 소자로는 아날로그 데이터를 유지하기 위해 비휘발성 메모리로 활용이 가능하고, 또한 적화연산(FMAD)이 가능하다. 따라서 멤리스터는 전류가 끊긴 상태에서도 과거 전류 흐름을 기억해 저항이 스스로 변하는 특성을 지녔다. 

즉 멤리스터는 컴퓨터용 테라비트 메모리 또는 CPU로도 발전해 인간 신경망 회로를 인공적으로 구현할 소자로도 활용할 수 있어, 실제 생물 뉴런과 시냅스와 같은 유기칩(Organic Chip)으로 발전할 가능성이 높다.

가령 멤리스터로 구축된 컴퓨터들은 즉각 부팅이 되고, 노트북은 배터리가 방전되면 최종 작업했던 세션·화면이 그대로 유지되며, 모바일 휴대전화는 배터리 충전 없이 1개월 이상을 사용할 수 있다. 

또한 멤리스터는 인간 뇌 시냅스 즉 뉴런이 이온 형태로 신호를 수신하고, 다음 뉴런으로 해당 신호를 보낸다. 이때 뇌가 수신하는 신호 강도에 따라 생성하는 신호도 달라지기 때문에 0과 1이라는 두 가지 값만 가진 트랜지스터와는 달리 다양한 값을 가질 수 있다.

하지만 기존 실리콘 기반 멤리스터는 성능이 제한적이다. 문제는 설계 전압이 커야 한다. 전류가 흐르는 전도 채널에 많은 이온이 흘러야 제대로 작동하기 때문이다. 따라서 전도 채널이 얇을수록 미세한 신호를 생성해야 할 경우에는 신뢰성이 떨어질 수밖에 없다.

결국 MIT 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 금속을 추출하고 조합해 사용 목적에 맞게 필요한 합성 금속을 만드는 야금(Metallurgy)’ 기술을 빌려 한계를 극복하는 방법을 찾았다. 멤리스터 음극 재료는 실리콘으로 하고, 구리를 증착한 후 그 위에 은을 입히는 방법으로 양극을 만들었다. 이렇게 만들어진 브레인 칩은 멤리스터 수만 개를 칩 하나에 집적한 것이다.  

이후 여러 이미지 처리 작업 과정을 통해 칩을 작동한 결과 칩은 저장된 이미지를 기억하고 여러 번 재현할 수 있었다. 이는 기존 멤리스터와는 달리 사람처럼 기억과 연상을 작용이 가능했다.

참고로  2017년 인텔이 공개한 1,024개 인공 시냅스(멤리스터) ‘로이히(Loihi)’는 은을 이용해 만들었다.

김 교수는 “지금까지 인공 시냅스 네트워크는 소프트웨어로만 존재했다. 우리는 실제 추론 테스트를 위해 인공 시냅스를 사용하고 있다”며, “언젠가는 슈퍼컴퓨터나 인터넷, 클라우드에 의존하지 않고 휴대용 기기를 통해 인공두뇌를 사용할 수 있는 실제 신경망 하드웨어를 구축하기 위해 노력하고 있다”고 말했다.

김들풀 기자 itnews@