홍콩 시립대(CityU)가 주도하는 공동연구로 인간의 뇌를 모방하기 위해 초저전력 소비 인공시각 시스템을 구축해 데이터 집약적 인지과제를 성공적으로 수행했다. 그들의 실험 결과는 차세대 인공지능(AI) 응용에 유망한 장치 시스템을 제공할 수 있을 것이다. 연구팀은 시티유 소재 소재과학공학과 조니 정인호 교수, 부소장, 교수 등이 주도한다. 그들의 발견은 과학 저널 Science Advances에 "산화물 초격자 나노 와이어의 준 2차원 전자 가스에 의해 활성화된 인공 시각 시스템"이라는 제목의 출판되었습니다.
디지털 컴퓨팅에 사용되는 반도체 기술의 발전이 정체의 징후를 보이고 있기 때문에, 신경형(뇌형) 컴퓨팅 시스템은 향후 대안 중 하나로 여겨져 왔다. 과학자들은 인간의 뇌처럼 가볍고 에너지 효율적이며 적응할 수 있는 차세대 첨단 AI 컴퓨터를 개발하려고 노력해 왔다. 호 교수는 "불행히도 초저전력 방식으로 기존 인공 시냅스에서 신경망 연결을 바꾸거나 스스로 다시 연결할 수 있는 능력인 뇌의 신경가소성을 효과적으로 모방하는 것은 여전히 어려운 일"이라고 말했다. 인공시냅스의 에너지 효율 향상 인공 시냅스는 시냅스의 인공 버전입니다. 두 뉴런이 뇌에서 서로 통신하기 위해 전기 신호를 통과하는 간격입니다. 뇌의 효율적인 신경 신호 전송과 기억 형성 과정을 모방한 장치다.
인공 시냅스의 에너지 효율을 높이기 위해 호 교수 연구팀이 인공신경모르픽 시스템에 준2차원 전자가스(quasi-2DEG)를 처음으로 도입했다. 이들이 개발한 반도체의 일종인 산화물 초격자 나노와이어를 이용하여 시냅스 이벤트당 펨토줄(0.7fJ) 이하로 기록적인 저에너지 소비를 달성한 준-2DEG 광시냅스 장치를 설계했다. 그것은 인간의 뇌의 시냅스와 비교했을 때 93%의 에너지 소비가 감소한다는 것을 의미한다. "우리의 실험은 우리의 광자 시냅스를 기반으로 한 인공 시각 시스템이 동시에 광 검출, 뇌와 같은 처리, 그리고 기억 기능을 초저전력으로 수행할 수 있다는 것을 보여주었다. 우리는 우리의 발견이 향후 생체공학 장치, 전자 눈, 다기능 로봇 공학 분야에서 응용을 위한 인공 신경모르픽 시스템을 구축하는 유망한 전략을 제공할 수 있을 것으로 믿는다." 라고 호 교수가 말했다. 그는 전자가 두 개의 다른 물질 사이의 2차원 인터페이스에 국한 될 때 2차원 전자 가스가 발생한다고 설명했다. 전자-전자 상호작용과 전자-이온 상호작용이 없기 때문에 전자는 인터페이스에서 자유롭게 움직인다. 광 펄스에 노출되면, 나노 와이어 표면에 흡수된 환경으로부터의 산소 분자와 산화물 초 격자 나노 와이어 내부의 2차원 전자 가스로부터의 자유 전자 사이의 일련의 반응이 유도되었다. 따라서 광자 시냅스의 전도성은 바뀔 것이다.
초격자 나노와이어의 빛 자극에 대한 뛰어난 전하 캐리어 이동성과 민감성을 고려할 때, 광자 시냅스의 전도성 변화는 생물학적 시냅스와 유사하다.따라서 quasi-2DEG 광자 시냅스는 인간의 뇌에 있는 뉴런이 신호를 어떻게 전송하고 암기하는지를 모방할 수 있다. "초격자 나노와이어 물질의 특별한 특성은 우리의 시냅스가 광 검출과 메모리 기능을 동시에 가질 수 있게 해준다. 간단히 말해서, 나노와이어 초격자 코어는 고감도 방식으로 광 자극을 검출할 수 있고, 나노와이어 쉘은 메모리 기능을 촉진한다. 따라서 이미지 센싱 칩에 전하 저장을 위한 추가적인 메모리 모듈을 구성할 필요가 없다. 그 결과, 우리의 장치는 에너지를 절약할 수 있다."라고 호 교수가 설명했다. 이 준-2DEG 광자 시냅스로 패턴화된 빛 자극을 정확하고 효율적으로 감지하고 자극의 모양을 1시간 동안 "기억"할 수 있는 인공 시각 시스템을 구축했습니다.
호 교수는 "우리 뇌가 한동안 본 것을 기억할 것 같다"고 설명했다. 그는 팀이 광자 시냅스와 인공 시각 시스템을 합성하는 방식은 복잡한 장비를 필요로 하지 않는다고 덧붙였다. 그리고 이 장치들은 확장 가능하고 저렴한 방법으로 유연한 플라스틱으로 만들 수 있다. 호 교수는 이 논문의 해당 저자이다. 공동 저자는 CityU의 MSE 박사과정 학생인 Meng You와 Li Fangzhou이다. 다른 팀 멤버로는 부시밍 박사, 립센포 박사, 강샤올린, 웨이 렌지, 리다판, 왕페이 등이 있는데, 이들은 모두 시티유 출신이다. 다른 협력 연구원은 중국 전자 과학 기술 대학, 규슈 대학 및 도쿄 대학교에서 왔습니다. 이 연구는 CityU, 홍콩 SAR 연구 보조금 협의회, 중국 국립 자연 과학 재단 및 선전 시의 과학 기술 혁신위원회로부터 자금 지원을 받았다.
출처 : Cityu