바이오인

감각 뉴로모픽 지능형 반도체 기술 동향

 이제준_한국과학기술연구원 위촉연구원

황도경_한국과학기술연구원 책임연구원

◈본문

■ 사람의 뇌에서 영감을 받아 탄생한 하드웨어 기반 뉴로모픽 기술은 기하급수적으로 늘어나고 있는 비정형 데이터들을 처리하기 위한 알고리즘 연산을 매우 효율적으로 수행할 수 있다는 점에서 필수적인 기술이 되었다. 그러나 다양한 종류의 감각 센서들이 발전함에 따라 점점 더 정교해지고 많은 용량을 가진 비정형 데이터가 계속해서 증가하게 되면서 많은 데이터를 하드웨어 인공신경망에 입력하는 것만으로도 점차 상당한 시간과 노력이 필요하게 되었다. 이에 따라 센서와 하드웨어 뉴로모픽 칩을 연결하여 센서에서 얻은 정보를 별도로 저장하지 않고 즉시 처리함으로써 데이터의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 감각 뉴로모픽 기술이 주목받고 있다. 본 고에서는 감각 뉴로모픽 기술의 발전사 및 동향에 대해 살펴보고 향후 발전 방향에 대해 논의하고자 한다.

I. 서론

선사시대 이후 문자의 발명으로 시작된 정보의 축적은 인류의 문명을 급속히 발전시켰고 새로운 정보는 때로 인류 삶의 질 향상에 이바지하였다. 더 나아가 통신의 발달은 인간이 정보에 접근하기에 한층 쉽게 만들어 현재 우리는 필요하면 정보를 언제든지 검색해서 얻을 수 있는 세상에서 살고 있다. 그러나 한편으로 너무 많은 정보가 혼재되어 있어 많은 정보로부터 원하는 정보를 찾아내는 데에 집중해야만 하는 정보의 홍수 시대에 우리는 살고 있다[1]. 

더 나아가 센서의 발달로 인해 글자나 사진으로 정보를 주고받던 시대에서 동영상이 등장하고, 최근에는 라이다와 같은 3D 이미징 기술까지 등장하면서 비정형 데이터의 양과 비율이 폭증하고 있다[2]. 이러한 상황에서 비정형 데이터들을 처리하기에 특화된 뉴로모픽 기술은 점차 선택이 아닌 필수가 되어가고 있다[3]. 그러나 뉴로모픽 기술의 효율성에도 불구하고 다양한 종류의 감각 신호를 하드웨어 뉴로모픽 프로세서가 처리할 수 있는 전기 신호로 변환하고 전처리하는 과정 자체도 이제는 병목(bottleneck)이 되어가고 있다[4]. 인간의 뇌에서 영감을 받아 뉴로모픽 기술이 등장했으므로, 이 문제를 해결하기 위해 이번에도 인간의 생물학적 특성에서 영감을 얻은 감각 뉴로모픽 기술에 관해 알아보고자 한다.

II. 인간의 생물학적 특성과 뉴로모픽 센서의 발전

인간을 비롯한 척추동물의 신경 시스템은 [그림 1]과 같이 크게 중추 신경 시스템(Central Nervous System: CNS)과 주변 신경 시스템(Peripheral Nervous System:PNS)으로 구성되어 있다. 주변 신경 시스템의 감각 수용기는 내외부 환경의 자극을 받아 중추 신경 시스템으로 복잡한 감각(시각, 청각, 접촉, 온도, 통증 등) 정보를 전달하게 된다[5]. 이때 각각의 주변 신경 시스템에서는 중추 신경 시스템으로 정보를 바로 전송하는 것이 아닌 다양한 전처리 과정을 먼저 수행함으로써 정보의 양과 품질을 최적화하는 역할을 한다. 예를 들면, 첫 번째로 각각의 감각 수용기들은 신호가 특정 문턱을 넘어야만 정보를 전달하며, 이는 중추 신경이 사소한 자극에 과부하 되지 않도록 도와준다.

 두 번째로 다양한 주변 중추 신경에서는 감각의 순응 기능을 가져 일정하게 유지되는 자극에 대해서는 신호를 보내지 않도록 설계되어 중추 신경 시스템에서 순간적으로 변화하는 자극에 대해 좀 더 집중하도록 돕는다[6]. 마지막으로 우리 눈의 망막에서는 특정 뉴런이 빛에 의해 활성화되면 다른 뉴런을 상대적으로 비활성화시킴으로써 우리 시각 정보의 밝기 대비를 증가시키고 특히 물체의 모서리 부분에 집중된 신호로 변환하여 보냄으로써 중추신경계에서 명확하게 사물을 인지하고 판단할 수 있도록 도와준다[7]. 

<자료> S. Dai et al., “Emerging Iontronic Neural Devices for Neuromorphic Sensory Computing”, Adv. Mater,

Vol.35(39), 2023 p.2300329.

[그림 1] 인간 감각기관의 정보처리 과정

이를 통해 볼 때, 인지 및 판단 과정에서 중추신경계의 역할을 담당하는 뇌는 사실 혼자 일하지 않는다는 것을 알 수 있다. 뇌가 최종적인 인지 및 판단을 하는 최고 경영자의 역할을 한다면, 주변 신경 시스템은 뇌가 정확한 인지 및 판단을 할 수 있도록 미리 정보를 가공하며 선택적으로 전달하는 훌륭한 비서의 역할을 담당하는 셈이다. 앞서 말한 뉴로모픽 기술이 직면하고 있는 상황을 여기에 대입해 보면 학습 및 추론 과정을 담당하며 중추신경계와 같은 역할을 하는 핵심 뉴로모픽 기술과는 별개로 비서와 같은 주변 신경계의 역할을 하는 프로세서가 또한 필요한 상황임을 알 수 있다. 이 역할을 담당하는 것이 바로 감각 뉴로모픽 기술이라 할 수 있다.

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