[사이언스] 두뇌 신경 조율 활동을 모방한 저전력 인공지능 하드웨어 핵심 기술 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2022/04/22 [15:44]

[사이언스] 두뇌 신경 조율 활동을 모방한 저전력 인공지능 하드웨어 핵심 기술 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2022/04/22 [15:44]

▲ 스테이싱(Stashing) 알고리즘에 관한 모식도: 뇌의 신경 조율 활동은 뇌 내 시냅스의 학습 정도에 따라 이에 연결된 뉴런에 자극 전달 여부를 결정하게 된다. 이에 착안하여 stashing 알고리즘은 방출되는 스파이크의 빈도수를 기준으로 학습 정도를 판단하고 회로를 통해 뉴런의 연결도를 수정한다(그림제공=KAIST)  © 특허뉴스

 

 

KAIST는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 두뇌에서 일어나는 신경 조율 활동을 구현한 인공지능용 하드웨어와 관련 알고리즘의 개발에 성공했다고 밝혔다.

 

4차 산업 혁명 시대를 맞아 인공지능 기술(Artificial Intelligence; AI)의 연구가 활발해지고 이에 따라 인공지능 기반 전자기기들의 개발 및 제품 출시가 가속화되고 있다. 인공지능을 전자기기에서 구현하기 위해서 맞춤형 하드웨어의 개발 또한 뒷받침돼야 하는데, 현재 대부분의 인공 지능용 전자기기들은 많은 연산량을 수행하기 위해 높은 전력 소모와 고도로 집적된 메모리 배열을 사용하고 있다.

 

인공 지능의 능력 향상을 위해 이러한 전력 소모 및 집적화 한계의 문제를 해결하는 것은 인공 지능 기술 분야의 커다란 과제이며, 인간의 뇌 활동에서 문제 해결의 단서를 찾고자 하는 노력이 계속돼왔다.

 

김경민 교수 연구팀은 인간의 두뇌 신경망이 신경 조율(Neuromodulation) 기능을 통해 연결 구조를 상황에 따라 지속적으로 변화시키는 것을 모방, 인공 지능을 위한 수학적 연산을 효율적으로 처리할 수 있는 기술을 개발했다. 두뇌에서는 학습하는 과정에서 실시간으로 신경망의 연결도를 변경해 필요에 따라 기억을 저장하거나 불러내는데, 이러한 신경 조율 기능을 하드웨어에서 직접 구현하는 새로운 방식의 인공 지능 학습 방식을 제시한 것이다.

 

연구팀은 개발된 기술의 효율성을 증명하기 위해 독자적인 전자 시냅스 소자가 탑재된 인공 신경망 하드웨어를 제작했으며, 여기에 개발한 알고리즘을 적용해 실제 인공지능 학습을 진행했고, 그 결과 인공지능 학습에 필요한 에너지를 37% 절약할 수 있었다.

 

공동 제1 저자인 KAIST 신소재공학과 정운형 박사과정과 전재범 박사과정은 인간의 두뇌는 생존을 위해 에너지 소모를 최소화하는 방향으로 진화해왔다. 이번 연구에서는 간단한 회로의 구성만으로 인간 두뇌의 학습 방식을 구현하였으며, 이를 통해 40%에 가까운 에너지를 줄일 수 있었다. 이는 범용성 있게 모든 SNN(스파이킹 뉴럴 네트워크) 인공 신경망에서 사용 가능한 장점을 가진다뇌 활동을 모방해 개발한 새로운 학습 방식의 착안은 앞으로 인공 지능 분야의 소프트웨어·하드웨어 분야가 나아가야 할 길의 이정표가 될 것이다고 말했다.

 

이러한 두뇌 신경 활동을 모방한 학습 알고리즘은 기존 전자기기 및 상용화된 반도체 하드웨어에 적용 및 호환을 할 수 있으며 차세대 인공 지능용 반도체 칩의 설계에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

 

이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 331일 자에 게재됐으며 한국연구재단, SK Hynix, 나노종합기술원(NNFC) KAIST의 지원을 받아 수행됐다.

 

논문명은 Demonstration of Neuromodulation-inspired Stashing System for Energy-efficient Learning of Spiking Neural Network using a Self-Rectifying Memristor Array 이다.

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