원자력硏, 우주 방사선 견디는 'AI 반도체' 세계 최초 검증

우주 방사선 환경에서도 안정적으로 동작하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술이 세계 최초로 검증됐다. 과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경을 견디는 차세대 AI 반도체 소자의 성능을 검증하는 데 성공했다고 밝혔다.

최근 우주 탐사 기술 발전과 함께 AI 기반 데이터 처리 수요가 급증하면서, 반도체가 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 ‘내방사선’ 특성 확보가 핵심 기술로 부상하고 있다.

연구팀은 차세대 반도체 소재인 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)을 기반으로 인간 뇌의 시냅스 구조를 모방한 ‘시냅틱 트랜지스터’를 제작하고, 우주 환경에서의 활용 가능성을 검증했다. 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)은 얇고 투명하며 전기적 특성이 우수해 차세대 디스플레이 및 논리 소자의 핵심 물질로 꼽힌다. 또 시냅틱 트랜지스터:인간 뇌의 신경세포 간의 신호 전달을 위한 접합 부위인 ‘시냅스’를 모방하여 저전력으로 고효율 AI 연산을 수행하는 소자이다.

이에 연구팀은 원자력연 양성자가속기를 활용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 소자에 조사했다. 이는 저궤도 우주 환경에서 20년 이상 노출된 것과 유사한 수준의 방사선 조건이다. 실험 결과 일부 구동 전류 감소 등 성능 저하는 나타났으나, 반도체의 핵심 기능인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심 특성인 시냅스 가소성은 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다.

특히 연구팀은 방사선 노출 상태에서 AI 연산 성능을 평가하기 위해 MNIST 손글씨 인식 기반 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션을 수행한 결과 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다. 또 시계열 데이터 처리에 적합한 ‘레저버 컴퓨팅’ 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증함으로써 해당 소자가 우주 환경에서도 실질적인 AI 연산에 활용될 수 있음을 확인했다.

연구팀은 “고에너지 방사선 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 확인했다”며 “향후 성능 저하 보완 기술과 방사선 영향 평가 체계를 고도화해 연구를 확대할 계획”이라고 밝혔다.

과기정통부는 “이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있음을 보여준 사례”라며 “우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술 확보를 지속적으로 지원하겠다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과기정통부의 ‘내방사선 국가전략반도체 핵심기술개발사업(총 128억원)’과 ‘기초연구실 지원사업(총 15억원)’의 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 충북대학교가 소자 제작 및 특성 평가를, 원자력연구원이 양성자 조사 설계 및 분석을, 벨기에 IMEC이 결과 해석을 각각 담당했다. 

아울러 연구 결과는 국제학술지 〈Materials Science in Semiconductor Processing〉3월호에 게재(논문명=High-energy proton-radiation tolerance in IGZO synaptic transistors)됐다.