일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
초저전력 디바이스, 뇌가 모델
노이즈 활용, 신소재로의 응용 모색

IT기기가 급속도로 보급하면서 소비 전력 절감이 시급한 과제로 대두되고 있다. 도쿄대학의 다하타(田畑) 교수 팀이 주목하고 있는 것은 거의 에너지를 사용하지 않고 정보 처리가 가능한 생물의 뇌이다. 뇌는 오감을 통해 주위의 다양한 정보를 수집∙처리할 때, 환경 속 열이나 잡음 등의 ‘노이즈’를 활용해 에너지 소비를 낮춘다고 한다. 연구팀은 이러한 시스템을 이용한 초저전력 디바이스 개발을 추진, 2030년경의 실용화를 목표로 하고 있다.

사람의 뇌에 있는 신경세포(뉴런) 수는 약 1,000억개라고 알려져 있다. 복잡한 ‘연산장치’이면서도 전구 정도인 20와트밖에는 에너지를 소비하지 않는 고효율에너지인 것이 특징이다.

일반 컴퓨터의 경우 에러의 원인이 되는 노이즈를 억제하기 위해 방대한 에너지를 사용하고 있다. 반면, 생물은 오감을 통해 주위의 정보를 습득할 때, 환경 속 열이나 소리 등의 노이즈를 잘 활용해 매우 효율적으로 뇌에 정보를 전달한다고 한다.

이것이 정보 습득 시 노이즈를 일부러 혼합함으로써 신호를 쉽게 검출하는 ‘확률공명(Stochastic Resonance)’이라고 하는 시스템이다. 미세한 음량이어도 노이즈가 섞이는 순간 쉽게 들을 수 있게 되는 현상 등이 그 대표적인 예이다.

뇌가 초고효율 에너지를 실현할 수 있는 이유 중 하나가 이 시스템에 있다. 다하타 교수는 “생물과 같이 환경 속의 노이즈를 활용하는 새로운 디바이스를 개발할 계획이다”라고 말한다.

연구팀이 디바이스 재료로서 유망하다고 생각하고 있는 후보는 자석의 성질을 가진 원소와 가지고 있지 않는 원소를 혼합한 ‘스핀글라스(Spin glass)’라고 하는 재료로, 주위 환경에 있는 열을 노이즈로써 활용할 계획이다.

연구팀은 이미 루테튬(Lutetium)과 철 등에 규소를 첨가해 실온에서 동작하는 스핀글라스 재료를 독자적으로 개발했다. 이 재료에 포함된 전자가 가진 막대자석과 같은 성질(스핀)의 방향은 실온에서는 열의 영향으로 흔들린다.

이 흔들림으로 인한 스핀 방향의 변화를 신호로서 판독할 수 있을 것으로 보인다. 스핀글라스는 수 종류의 ‘자기(磁氣)적으로 안정된 상태’를 취할 수 있다. 이 중 2종류의 안정 상태를 제어해 컴퓨터에서 사용하는 ‘0’과 ‘1’의 정보에 대응하면 메모리로써 이용할 수 있다.

이러한 제어에는 전기가 사용되지 않기 때문에 원리 상 거의 에너지를 소비하지 않고 발열도 하지 않는다.

이 시스템을 이용한 디바이스는 에러가 많이 발생한다는 것이 난점이지만, 이 과제도 생물 뇌의 시스템을 참고해 극복할 수 있을 것이라고 한다.

하나의 신호가 틀려도 그 외의 다른 대다수의 신호가 올바르게 전달됨으로써 정밀도가 높은 정보 전달이 가능하게 될 것으로 연구팀은 보고 있다.

다하타 교수는 개발한 스핀글라스 재료를 이용해 메모리와 자기센서 등을 제작하고 그 기본 동작을 확인했다. 앞으로 뇌를 모방하는 발상을 통해 전혀 새로운 디바이스 실현으로 이어나갈 계획이다.

-- 컴퓨터, 뇌에 가까워져 --
스핀글라스는 뇌의 기능을 모방한 컴퓨터에 이용될 가능성이 있다. 뇌 안에서 정보를 전달하는 신경세포의 움직임을 스핀글라스는 매우 뛰어나게 재현할 수 있다고 한다. “뉴런과 같은 학습 기능이 있는 저전력 기억소자가 될 가능성이 있다”라고 도쿄대학의 다하타 교수는 말한다.

현재, 소프트웨어와 하드웨어의 두 측면에서 뇌의 기능을 모방한 기술 연구가 있다. 소프트웨어에서는 뉴럴 네트워크가 있다. 지금의 AI 붐을 일으킨 기술이다. 영상인식과 자연언어처리는 다양한 분야에서 사회를 변화시키고 있다.

하드웨어에서는 회로 설계부터 뇌를 모방한다. 메모리의 정보를 CPU가 처리하는 것이 아닌, 뉴런을 모방한 각각의 소자들이 서로 정보를 주고받으면서 계산한다. 이를 통해 자율주행 등 특정 용도에서는 기존형 컴퓨터의 수 배~수 백배의 고속화가 실현될 것이라고 한다.

이 밖에도 스핀글라스와 같은 재료를 이용한 연구도 있다. 재료 자체가 뉴런의 기능을 모방한 것이다. 생물처럼 초저전력으로 움직이고 학습 기능도 보유한 성능이 기대를 모으고 있다. 머지않아 진짜 뇌와 동일하게 기능하는 컴퓨터가 탄생할 날이 올지도 모른다.

▶ 노이즈를 활용한 신호 검출의 연구 동향
- 1980년대: 전자회로에서 전기신호 검출에 활용할 수 있다는 사실을 확인
- 1990년대: 다양한 생물이 감각기관에 이용하고 있다는 것이 밝혀짐. 뇌의 신호처리에 활용되고 있을 가능성 제창
- 2010년대: 메모리 등 디바이스로의 응용에 기대
- 2030년대: 초저전력 디바이스 개발

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