삼성, 뇌를 뉴로모픽 칩에 ‘복사하고 붙여넣기’하는 아이디어 제시

2021년 9월 28일, 오후 6:00

삼성전자는 뉴로모픽 칩이 뇌를 더 잘 모방할 수 있도록 다가가는 새로운 아이디어를 공개했다. 삼성과 하버드대 최고 엔지니어 및 과학자들이 떠올린 이 아이디어는 “뉴로모픽 일렉트로닉스: 뇌의 복사와 붙여넣기 기반”이라는 제목의 논문으로 Nature Electronics에 게재됐다.

논문 저자는 삼성 어드밴스드 인스티튜트 오브 테크놀로지(SAIT) 연구원이자 하버드대 교수인 돈히 햄, 하버드대 교수 홍군 박, 삼성SDS 사장이자 전 SAIT 책임자인 황성우, 그리고 삼성전자 부회장 겸 CEO인 김기남이다.

“칩 위에서 신경망의 구조와 기능을 모방해 뇌를 역설계하는 것은 뉴로모픽 엔지니어링의 초기 목표였지만 여전히 먼 미래의 과제로 남아 있다. 이에 따라 뉴로모픽 엔지니어링의 초점은 엄격한 뇌 모방에서 이벤트 기반 신호와 메모리 내 정보 처리 등 뇌의 질적 특성에서 영감을 얻은 설계로 옮겨갔다. 여기서 우리는 현대 뉴로모픽 엔지니어링의 접근법을 살펴보고, 뉴로모픽 일렉트로닉스를 본래 목표인 뇌의 역설계로 되돌리는 비전을 제시한다”고 연구 자료에 쓰여 있다.

이 아이디어의 핵심은 ‘복사’하고 ‘붙여넣기’라는 두 단어로 가장 잘 표현된다. 논문은 햄과 박이 개발한 나노전극 매트릭스로 뇌의 신경 연결 지도를 복사한 뒤, 회사가 세계 선도 기업인 고밀도 3차원 솔리드스테이트 메모리 네트워크에 이 지도를 붙여넣는 방법을 제안한다.

저자들은 이러한 복사·붙여넣기 방식을 통해 뇌의 독특한 연산 특성, 즉 낮은 전력 소비, 쉬운 학습, 환경 적응, 자율성과 인지 능력에 가까운 메모리 칩을 만들 수 있다고 본다. 이러한 특성은 지금까지 현대 기술로는 도달할 수 없는 영역이었다.

뇌는 수많은 뉴런으로 구성되며, 이들의 배선 구조가 뇌의 기능을 결정한다. 따라서 이 지도를 아는 것이 뇌를 역설계하는 열쇠다.

1980년대에 등장한 뉴로모픽 엔지니어링의 초기 목표는 이러한 신경망의 구조와 기능을 실리콘 칩 위에 모방하는 것이었다. 여러 뉴런이 어떻게 연결되어 고차원적인 뇌 기능을 만들어내는지 아직 잘 알려지지 않았기 때문에 이는 어려운 과제로 드러났다. 그래서 뉴로모픽 엔지니어링의 목표는 뇌를 정밀하게 모방하는 대신 뇌에서 ‘영감을 받은’ 칩을 만드는 것으로 단순화됐다.

저자들은 뉴로모픽 엔지니어링의 원래 목표인 뇌의 역설계로 돌아가는 방법을 제시한다. 나노전극 매트릭스는 많은 수의 뉴런에 효과적으로 접근할 수 있어 그 전기 신호를 높은 감도로 기록할 수 있다. 이렇게 대규모로 병렬 수행되는 세포 내 기록은 뉴런들이 서로 어디에서 연결되고 그 연결이 얼마나 강한지를 보여주는 신경 배선 지도의 근거가 된다. 따라서 이러한 기준 기록으로부터 신경 배선 지도를 추출하거나 ‘복사’할 수 있다.

복사된 신경 지도는 이후 비휘발성 메모리 네트워크에 ‘붙여넣기’할 수 있다. 예를 들어 SSD에서 일상적으로 쓰이는 상용 플래시 메모리나 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM) 같은 ‘새로운’ 메모리가 후보가 된다. 각 메모리 셀은 복사된 지도의 신경 연결 강도를 나타내도록 전도도가 프로그래밍된다.

이 논문은 한 걸음 더 나아가 신경 배선 지도를 메모리 네트워크에 빠르게 붙여넣는 전략을 제시한다. 세포 내 기록 신호로 직접 제어될 때, 특별히 설계된 비휘발성 기억 장치 네트워크가 신경 연결 지도를 학습하고 표현할 수 있다. 이는 뇌의 신경 연결 지도를 메모리 칩에 직접 적재하는 방식이다.

인간의 뇌에는 약 1000억 개의 뉴런과 그보다 약 1000배 많은 시냅스 연결이 있으므로, 최종적인 뉴로모픽 칩에는 약 100조 개의 메모리가 필요하다. 이처럼 방대한 메모리를 한 칩에 집적하는 것은 삼성이 주도해 이 업계의 새로운 시대를 연 3차원 메모리 집적 기술 덕분에 가능해졌다.