데이터 속도 맞춰 스스로 반응하는 '카멜레온 AI 반도체' 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부·반도체공학대학원 최신현 석좌교수 연구팀은 입력되는 데이터의 변화 속도에 따라 반응 특성을 자유롭게 바꿀 수 있는 새로운 AI 반도체 소자 '프로그래머블 동적 멤트랜지스터(PDM)'와 이를 집적한 어레이를 개발했다고 7일 밝혔다.

멤트랜지스터는 정보를 저장하는 메모리와 계산을 수행하는 트랜지스터의 기능을 하나로 결합한 차세대 반도체 소자다. 데이터 계산, 이전 정보 기억이 가능해 입력 데이터에 맞춰 반응 속도를 조절할 수 있다.

현실 세계의 데이터는 모두 같은 속도로 변하지 않는다. 심장 박동이나 음성처럼 매우 빠르거나 날씨나 공장 설비 상태처럼 천천히 변한다. 하지만 기존 AI 반도체는 입력 신호에 반응하는 속도와 그 상태를 유지하는 시간(시간 응답 특성)이 고정돼 있어 서로 다른 속도의 데이터를 동시에 효율적으로 처리하기 어렵다.

연구팀은 전기적 정보를 저장하는 층(전하 저장층)과 전자를 저장해 반도체의 반응 속도를 조절하는 층(전자 포획층)을 하나의 트랜지스터 안에 결합한 새로운 구조를 개발했다.

PDM은 전하 저장층에서 입력 정보를 처리하고 전자 포획층이 반도체가 원래 상태로 돌아가는 속도를 조절한다. 데이터의 변화 속도에 맞춰 가장 적합한 반응 속도를 스스로 선택한다.

실험 결과 연구팀은 반도체가 입력 신호에 반응한 뒤 원래 상태로 돌아오는 시간을 약 5배 범위에서 조절했다. 빠르게 반복되는 신호를 처리하는 능력(주파수 특성)도 10배 이상 폭넓게 조절할 수 있음을 확인했다.

특히 빠르게 변하는 정보와 느리게 변하는 정보가 함께 포함된 시계열 데이터 예측 실험에서는 기존의 고정형 반도체보다 예측 오류를 최대 40배 줄이는 성능을 보였다.

PDM을 여러 개 연결한 어레이를 제작해 실험한 결과, 기존 소프트웨어 기반 AI 시스템과 비슷한 정확도를 유지하면서도 훨씬 적은 에너지로 동작하는 것을 확인했다.

연구팀은 생체 신호, 로봇 센서 등 실제 환경에서 발생하는 신호를 이용해 실시간 처리 성능과 에너지 효율을 검증하고 저전력·고정확도 엣지 AI 반도체 플랫폼으로 발전시킬 계획이다.

최 교수는 "이번 연구는 데이터의 변화 속도에 맞춰 반도체가 스스로 가장 적합한 방식으로 반응하는 AI 반도체를 구현한 것"이라며 "자율주행차와 로봇, 웨어러블 기기 등 다양한 AI 기기의 성능은 높이고 전력 소모는 줄이는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr