인간 뇌의 시냅스(위)와 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진이 ‘조셉슨 접합’을 응용해 개발한 인공 시냅스(아래). 인공 시냅스에 자기장을 걸고 전류 펄스를 반복해 가하면, 자기장의 영향으로 나노입자들이 점점 한 방향으로 정렬되면서 전류의 역치가 낮아져 더 쉽게 전기 신호가 전달된다. 학습 효과로 뉴런 간의 결합이 강해지는 것과 같다. - NIST 제공

인간 뇌의 기능뿐만 아니라 작동원리까지 모방하는 ‘뉴로모픽 컴퓨터’의 핵심요소인 인공 시냅스가 개발됐다. 시냅스는 뇌신경세포(뉴런)들이 서로 맞닿아 있는 부위로, 뉴런 간 신호 전달에 중요한 역할을 한다. 이번 연구로 인간 뇌처럼 유연하게 학습하고 기억을 저장할 수 있는 컴퓨터 개발도 앞당겨질 것으로 전망된다.

미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진은 초전도체를 이용해 인공 시냅스를 만들고, 이를 바탕으로 사람이 학습할 때 뇌에 나타나는 효과를 구현하는 데 성공했다고 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 26일자에 발표했다.

연구책임자인 마이크 슈나이더 NIST 박사는 “인공 뇌를 완성시킬 수 있는 조각을 찾은 것”이라며 “인공 뉴런은 이전에도 있었지만 인공신경 사이를 단순히 선으로 연결했을 뿐 시냅스를 구현하지는 못했다”고 밝혔다.

인간의 뇌는 뉴런 간의 전기화학적 신호를 전달해 정보를 처리한다. 시냅스는 이런 신호가 다른 뉴런으로 이동하는 통로다. 한쪽 뉴런 끝에서 스파이크를 일으키면 이 전기 신호는 시냅스를 통해 다른 한쪽 뉴런 끝으로 전달된다. 이런 식으로 전기 신호를 순간적으로 전달하면, 회로를 통할 때보다 더 빠르게 신호를 전달할 수 있다.

이때 전기 신호는 그 세기(에너지)가 특정 역치를 넘어야만 시냅스를 통과해 다른 뉴런으로 전달된다. 하지만 만약 신호가 반복해서 주어질 경우, 역치는 점점 낮아지고 뉴런 간의 결합은 강해진다. 바로 학습 효과다.

연구진은 직경이 10㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만 분의 1m)의 초소형 원통형태로 ‘조셉슨 접합’을 만들어 인공 시냅스를 구현했다. 조셉슨 접합은 초전도체 물질 사이에 절연체를 채운 전자소자로, 한쪽에서 특정 역치 이상의 전류를 흘려 보내면 전류가 절연층을 통과해 다른 한쪽에 전기 신호를 일으킨다. 시냅스와 유사하게 작동하는 셈이다.

연구진은 조셉슨 접합의 절연층에 자성을 띤 나노입자를 넣었다. 여기에 자기장을 걸고 전류 펄스를 반복해 가하자, 자기장의 영향으로 나노입자들이 점점 한 방향으로 정렬되면서 전류의 역치가 낮아졌다. 전류 펄스를 더 자주 보낼수록 역치는 더 낮아졌다.

인공 시냅스는 저항 없이 전기 신호를 전달할 수 있기 때문에 인간 뇌의 시냅스보다 더 처리 속도가 빠른 것으로 나타났다. 뇌의 뉴런은 초당 50번 전기 신호를 보내지만, 인공 시냅스는 초당 10억 번까지 전기 신호를 전달할 수 있었다. 구동에 필요한 에너지 역시 1aJ(아토줄, 1aJ은 10-18J) 수준으로 매우 낮다.

연구진은 인공 시냅스가 인공지능 시스템의 효율을 획기적으로 높여 줄 것으로 전망했다.

슈나이더 박사는 “기존 소프트웨어 기반의 인공지능은 대부분 많은 전력을 소모한다”며 “인공 시냅스를 활용해 뉴로모픽 컴퓨터를 개발한다면 인간의 뇌 이상으로 유연하고 효율적으로 데이터를 처리할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[송경은 기자 kyungeun@donga.com]