우주 방사선 견디는 차세대 AI 반도체 소자 세계 첫 성능 검증

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국원자력연구원은 원자력연 첨단방사선연구소와 충북대학교, 벨기에 아이멕(IMEC) 공동연구팀이 과학기술정보통신부 지원을 통해 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔다.

최근 우주 탐사 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(IGZO) 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.

연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 원자력연의 양성자가속기를 이용해 3300만 전자볼트(33MeV)급 고에너지 양성자 빔에 노출시켰다. 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상 노출된 것과 같은 수준이다. 저궤도 위성의 수명은 5~15년으로 본다.

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

방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 '뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션(MNIST 손글씨 인식)'에서는 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다. 또 시계열 정보 처리에 적합한 '레저버 컴퓨팅' 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증, 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했다.

연구팀은 "이번 연구는 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명한 것"이라며 "뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 전했다.

오대현 과기부 미래전략기술정책관은 "대한민국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보해 자립할 수 있도록 지원을 계속하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 지원사업을 통해 수행됐다. 성과는 국제학술지 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 3월호에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr