과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 원자력연 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 인공지능 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 밝혔습니다. 이번 연구 결과는 국제학술지 Materials Science in Semiconductor Processing 3월호에 게재되었습니다.
우주 방사선 환경에서 진행된 반도체 검증
최근 우주탐사 기술의 발전에 따라 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견디는 내방사선 특성을 확보하는 일이 핵심 과제로 제시되었습니다. 이에 공동연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서의 AI 반도체 활용 가능성을 검증했습니다.
연구팀은 소자를 제작하고 특성을 평가한 뒤 한국원자력연구원의 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했습니다. 조사한 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상 노출된 것과 같은 수준으로 설정되었습니다.
양성자 빔 조사 이후 소자의 특성을 다시 평가한 결과, 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 관찰되었습니다. 그러나 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성은 안정적으로 유지되었습니다.
연구팀은 방사선 노출 상태에서의 AI 연산 효율을 확인하기 위해 MNIST 손글씨 인식 기반 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션을 실시했습니다. 그 결과 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도가 확인되었습니다.
또한 연구팀은 시계열 정보 처리에 적합한 레저버 컴퓨팅 시스템을 구현했습니다. 이를 통해 우주 방사선 환경에서의 4비트 연산 능력을 입증하며 실질적인 활용 가능성을 제시했습니다.
참여 기관의 역할과 발표된 조치
공동연구팀의 세 기관은 각각의 역할을 나눠 연구를 수행했습니다. 조병진 충북대 교수는 소자 제작 및 특성 평가를 담당했고, 강창구 원자력연 책임연구원은 양성자 조사 설계 및 분석을 맡았으며, 유태진 벨기에 IMEC 박사는 결과 해석을 지원했습니다.
연구팀은 이번 연구가 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명했다고 설명했습니다. 이어 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가로 연구하고, 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화해 뉴로모픽 반도체와 로직 회로 수준 검증으로 연구를 확대할 계획이라고 밝혔습니다.
오대현 과기정통부 미래전략기술정책관은 이번 성과가 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례라고 말했습니다. 또한 대한민국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보해 자립할 수 있도록 지속해서 지원하겠다고 밝혔습니다.
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