현대 컴퓨터 구조는 연산 장치와 메모리 장치 사이의 직렬적인 데이터 송수신을 기반으로 한 폰 노이만 구조로 설계됐다.

폰 노이만 컴퓨터 구조는 매우 뛰어난 범용성을 지니고 있어 대부분의 컴퓨터 구조에 적용할 수 있다는 장점이 있지만 직렬적 데이터 송수신으로 인해 고질적인 데이터 병목현상이 존재한다. 

기존 데이터 연산의 경우 그 양이 많지 않고 트랜지스터 소형화 및 성능 개선이 지속적으로 이뤄졌기에 폰 노이만 병목현상의 심각성이 대두되지 않았지만, 최근 인공지능이 도입되며 처리해야 할 데이터양이 기하급수적으로 늘어나고, 물리적 한계로 트랜지스터 성능 개선이 더뎌지면서 폰 노이만 병목현상의 심각성은 날이 갈수록 커지고 있다.

연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀은 시냅스 소자의 장점을 극대화하고 폰 노이만 병목현상을 근본적으로 해결하기 위해 이온젤 절연체를 기반으로 한 다중 신호 병렬처리 시냅스 소자를 개발했다.

시냅스 소자는 인간의 생체 신호 전달 시스템을 모사한 반도체 소자로, 병렬 및 아날로그 신호 처리가 가능해 인공지능(AI) 연산에 매우 적합한 특성을 지니고 있어 폰 노이만 구조의 단점을 극복할 수 있는 차세대 인공지능 반도체로 주목받고 있다.

이온젤 절연체는 통상적인 절연체와 달리 이온의 자유로운 움직임을 기반으로 하기에 동시에 여러 신호를 수용할 수 있으며, 전기적 자극의 세기 및 극성의 방향에 의해 이온 농도가 변하고, 최종적인 이온의 분포는 입력된 자극의 합으로 나타나게 된다. 

이러한 특성을 이용해 시냅스 소자를 개발하면 여러 신호를 별도 신호 처리 장치의 도움 없이 수용할 수 있으며, 입력 신호를 하나의 합산된 신호로 출력할 수 있다.

연구팀은 완성된 이온젤 시냅스 소자를 활용해 변화하는 환경 변수에 내성을 가지는 제어 시스템을 구성했다. 하나의 시냅스 소자에 다양한 센서 신호(온도, 변형)를 입력해 별도의 신호 장치 없이 하나의 합산된 신호를 만들어내, 주변 환경의 변화에 무관하게 소프트 액추에이터 제어를 가능하게 했다. 

같은 기능을 하는 제어 시스템을 기존의 CMOS 기반 반도체 소자와 폰 노이만 구조를 통해 재현하려면 수많은 트랜지스터와 회로 구성 요소를 요구하기에, 이번 다중 신호 병렬처리 시냅스 소자의 개발이 가지는 의의는 매우 크다고 볼 수 있다.

조정호 교수는 “본 연구는 기존의 폰 노이만 구조의 아킬레스건이던 병목현상을 해결할 수 있는 기술로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 호동해 박사(공동 제1저자), 노동규 연구원(공동 제1저자)이 함께 진행했으며, 세계적인 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 '인공시냅스 멀티플렉서에 의해 사용 가능한 비 폰노이만 다중 입력 스파이크 신호처리(Non von Neumann Multi-Input Spike Signal Processing Enabled by an Artificial Synaptic Multiplexer-다운)'란 제목으로 22일(현지시간) 게재됐다.