‘우주 방사선’ 견디는 차세대 AI 반도체 소자 검증 성공

[디지털투데이 이진호 기자] 과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 한국원자력연구원 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능(AI)반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔다.

최근 우주 탐사 기술이 빠르게 발전하면서 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있도록 '내방사선' 특성을 확보하는 것이 과제로 떠오르고 있다. 이에 공동연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했다.

IGZO는 얇고 투명하면서도 전기적 특성이 우수해 차세대 디스플레이와 논리 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 시냅틱 트랜지스터는 인간 뇌의 시냅스를 모방해 저전력으로 고효율 AI 연산을 수행하는 소자다.

연구팀은 원자력연의 양성자가속기를 활용해 해당 소자에 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했다. 조사한 빔의 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상 노출된 것과 같은 수준으로 했다. 이는 일반적인 저궤도 위성 수명인 5~15년을 웃도는 조건이다.

이후 소자 특성을 다시 평가한 결과, 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰됐지만 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심 특성인 시냅스 가소성은 안정적으로 유지된 것으로 확인됐다.

특히 방사선 노출 상태에서 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 능력도 입증하면서 우주 방사선 환경에서 실질적 활용 가능성을 제시했다.

한편 이번 연구는 과기정통부 지원사업을 통해 수행됐다. 조병진 충북대 교수 연구팀은 소자 제작 및 특성 평가를, 강창구 원자력연 책임연구원은 양성자 조사 설계 및 분석을 맡았다. 유태진 벨기에 IMEC 박사는 결과 해석을 지원했다.연구 결과는 국제학술지인 '반도체 공정 재료 과학 저널' 3월호에 게재됐다.

오대현 과기정통부 미래전략기술정책관은 "이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례"라며 "한국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보하고 자립할 수 있도록 지속적으로 지원하겠다"고 말했다.