실리콘만으로 양산 가능한 차세대 최적화 연산 하드웨어 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 최양규·김상현 교수 공동연구팀이 기존 실리콘 반도체 공정만을 활용해 차세대 최적화 전용 하드웨어 '오실레이터 기반 아이징 머신'을 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

실리콘 기반 트랜지스터만으로 구성된 세계 최초의 확장형 상보형 금속산화물 반도체(CMOS) 아이징 머신을 구현한 사례로, 기존 오실레이터 기반 아이징 머신의 확장성과 신뢰성 한계를 동시에 해결한 저전력·고집적 특화 연산 플랫폼으로의 활용이 기대된다.

빅데이터와 인공지능(AI)이 확산하면서 가능한 모든 경우 중 가장 효율적인 답을 찾는 조합 최적화 문제가 산업 전반에 핵심 화두로 떠오르고 있다. 이에 통계물리학의 아이징 모델을 하드웨어적으로 구현한 아이징 머신이 제안됐다.

그러나 기존 아이징 머신은 오실레이터(일정 주기로 신호를 반복하는 진동 소자) 간 미세한 주파수 편차(각 소자의 진동 속도 차이)를 정밀하게 제어하기 어렵고, 소자 간 연결도 제한적이어서 복잡한 문제를 푸는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 오실레이터와 이를 연결하는 커플러를 모두 단일 실리콘 트랜지스터(반도체의 기본 스위치 소자)로 구현하는 새로운 접근 방식을 도입했다.

이를 통해 오실레이터 간 주파수 편차를 줄여 안정적인 동기화를 가능하게 했다. 또 커플러를 이용한 다중 상태 커플링 구현 문제의 가중치를 보다 정밀하게 반영할 수 있게 했다. 이로써 아이징 모델의 표현력과 해 탐색 성능을 동시에 크게 끌어올렸다.

연구팀은 해당 기술을 활용해 대표적인 조합 최적화 문제인 '최대 절단(네트워크를 두 그룹으로 나눌 때 연결을 최대화하는 문제)' 해결에 성공했다.

이는 물류 경로 최적화, 금융 포트폴리오 구성, 반도체 회로 배치 등 다양한 산업 분야에 직접 활용될 수 있다.

연구의 가장 큰 특징은 특수 소재나 비표준 공정 없이 현재 반도체 산업에서 사용하는 CMOS 공정을 그대로 활용했다는 점이다. 따라서 이번 기술은 별도의 설비 투자 없이도 기존 반도체 생산 라인에서 대량 생산과 상용화가 가능하다는 장점을 가진다고 연구팀은 설명했다.

최 교수는 "이번 연구는 오실레이터와 커플러를 모두 실리콘 소자로 구현해 확장성과 정밀도를 동시에 확보한 아이징 머신 하드웨어"라며 "반도체 설계 자동화, 통신 네트워크 최적화, 자원 분배 등 대규모 조합 최적화가 필요한 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다"고 말했다.

KAIST 윤성윤 박사과정과 김준표 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 과학 분야 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.

연구는 한국연구재단의 차세대지능형반도체기술개발사업, 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업, PIM인공지능반도체핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr