삼성, 인간 뇌 닮은 'MRAM 인-메모리 컴퓨팅' 구현…세계 최초
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MRAM 기반으로 데이터 저장·연산 동시 수행
세계적인 학술지 '네이처'에 게재
13일 삼성전자에 따르면 이번 연구는 삼성전자 종합기술원 정승철 전문연구원이 제1저자로, 함돈희 종합기술원 펠로우 및 하버드대 교수와 김상준 종합기술원 마스터가 공동 교신저자로 이름을 올렸다. 삼성전자 종합기술원, 반도체연구소, 파운드리사업부 연구원들도 공동으로 연구에 참여했다.기존 컴퓨터는 데이터 저장을 담당하는 메모리 칩과 데이터 연산을 책임지는 프로세서 칩을 따로 나눠 구성한다. 반면 인-메모리 컴퓨팅은 메모리 내에서 데이터 저장뿐 아니라 연산까지 수행하는 최첨단 칩 기술이다. 메모리 내 대량의 정보를 이동 없이 메모리 내에서 병렬 연산하므로 전력 소모가 현저히 낮아 차세대 저전력 인공지능(AI) 칩을 만드는 기술로 주목받고 있다.
저항메모리(RRAM, Resistive RAM)와 상변화메모리(PRAM, Phase-change RAM) 등 비휘발성 메모리를 활용한 인-메모리 컴퓨팅 구현은 지난 수년간 전 세계적으로 관심이 높은 연구 주제였다.
하지만 또 다른 비휘발성 메모리인 MRAM은 데이터 안정성이 높고 속도가 빠른 장점에도 불구하고 낮은 저항값을 갖는 특성으로 인해 인-메모리 컴퓨팅에 적용해도 전력 이점이 크지 않아 인-메모리 컴퓨팅으로 구현되진 못했다.삼성전자 연구진은 이러한 MRAM의 한계를 기존의 '전류 합산' 방식이 아닌 새로운 개념의 '저항 합산' 방식 인-메모리 컴퓨팅 구조를 제안해 저전력 설계에 성공했다. 연구진은 MRAM 기반 인-메모리 컴퓨팅 칩의 성능을 AI 계산에 응용해 숫자 분류에서는 최대 98%, 얼굴 검출에선 93%의 정확도로 동작하는 것을 검증했다.
이번 연구는 시스템 반도체 공정과 접목해 대량 생산이 가능한 비휘발성 메모리인 MRAM을 세계 최초로 인-메모리 컴퓨팅으로 구현하고, 차세대 저전력 AI 칩 기술의 지평을 확장한 의미가 있다는 게 삼성전자 측 설명이다.
연구진은 또 새로운 구조의 MRAM 칩을 인-메모리 컴퓨팅으로 활용할 뿐 아니라 생물학적 신경망을 다운로드하는 뉴로모픽 플랫폼으로의 활용 가능성도 제안했다.정승철 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 "인-메모리 컴퓨팅은 메모리와 연산이 접목된 기술로, 기억과 계산이 혼재된 사람의 뇌와 유사한 점이 있다"며 "이번 연구가 향후 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽(Neuromorphic) 기술의 연구 개발에도 도움이 될 수 있을 것"이라고 말했다.
뉴로모픽 반도체는 사람의 뇌 신경망에서 영감을 받거나 직접 모방하려는 반도체로, 인지·추론 등 뇌의 고차원 기능까지 재현하는 것을 궁극적 목표로 한다. 앞서 삼성전자와 하버드대 연구진은 지난해 9월 뉴로모픽 반도체 비전을 제시한 논문을 '네이처 일렉트로닉스'에 게재했다.
당시 논문은 뇌 신경망에서 뉴런(신경세포)들의 전기 신호를 나노전극으로 초고감도로 측정해 뉴런 간의 연결 지도를 '복사'(Copy)하고, 복사된 지도를 메모리 반도체에 '붙여넣기'(Paste) 함으로써 뇌의 고유 기능을 재현하는 뉴로모픽 칩 기술을 제안했다.이번에 발표한 논문은 당시 논문의 '뇌 구조 복사 & 붙여넣기' 콘셉트 가운데 신경망을 붙여넣기 하는 소자 플랫폼으로서 MRAM의 활용 가능성까지 제안한 것이란 설명이다.
삼성전자 관계자는 "초격차 메모리 기술 역량을 시스템 반도체 기술과 접목해 차세대 컴퓨팅 및 AI 반도체 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 확장해나갈 것"이라고 밝혔다.
강경주 한경닷컴 기자 qurasoha@hankyung.com