우주 방사선 견디는 AI 반도체 세계 첫 검증

우주 방사선 환경에서도 안정적 작동하는 AI 반도체 기술 개발

과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 원자력연 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 IMEC 공동연구팀이 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 세계 최초로 검증했다고 19일 밝혔습니다.

국제학술지 게재로 연구 성과 공식 인정

이번 연구 결과는 국제학술지인 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 3월호에 게재되어 학계의 주목을 받고 있습니다.

우주 탐사 시대, 내방사선 AI 반도체 기술의 중요성

최근 우주탐사 기술이 급격히 발전함에 따라 AI와 빅데이터 분석을 처리할 반도체 소자가 우주의 가혹한 방사선 환경을 견딜 수 있는 내방사선 특성을 확보하는 것이 핵심 과제로 떠올랐습니다.

인듐-갈륨-아연 산화물 기반 시냅틱 트랜지스터 개발

연구팀은 차세대 반도체 물질인 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반의 시냅틱 트랜지스터를 제작해 우주 환경에서 AI 반도체 활용 가능성을 검증했습니다.

고에너지 양성자 빔 조사로 20년 이상 우주 방사선 노출 시뮬레이션

소자 제작과 특성 평가 후, 원자력연의 양성자가속기를 이용해 33MeV급 고에너지 양성자 빔을 조사했습니다. 이 방사선량은 지구 저궤도 수준의 우주 방사선에 20년 이상 노출된 것과 같은 수준으로, 저궤도 위성의 평균 수명인 5~15년을 훨씬 초과하는 기간입니다.

성능 저하 일부 관찰됐으나 핵심 기능 안정적 유지

방사선 조사 후 소자의 구동 전류가 일부 감소하는 등 성능 저하는 있었으나, 반도체의 핵심인 스위칭 동작과 뉴로모픽 소자의 핵심인 시냅스 가소성은 안정적으로 유지됨을 확인했습니다.

뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션에서 92.61% 패턴 인식 정확도 달성

특히 방사선 노출 상태에서 AI 연산 효율을 검증하기 위해 실시한 MNIST 손글씨 인식 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션에서 92.61%의 높은 패턴 인식 정확도를 기록했습니다.

레저버 컴퓨팅 시스템 구현으로 4비트 연산 능력 입증

또한 시계열 정보 처리에 적합한 레저버 컴퓨팅 시스템을 구현해 4비트 연산 능력을 입증하며, 우주 방사선 환경에서의 실질적인 활용 가능성을 제시했습니다.

공동연구팀의 역할 분담과 협력

공동연구팀은 각 기관의 강점을 살려 대학(조병진 충북대 교수)이 소자 제작 및 특성 평가를, 출연연(강창구 원자력연 책임연구원)이 양성자 조사 설계 및 분석을, 해외 기관(유태진 벨기에 IMEC 박사)이 결과 해석을 담당했습니다.

향후 연구 방향과 기술 발전 계획

연구팀은 "이번 연구는 고에너지 방사선이라는 극한 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템으로서 충분히 기능할 수 있음을 증명했다"고 밝혔습니다. 또한 성능 저하 문제를 보완할 기술적 전략을 추가 연구하고, 방사선 영향 평가 분석시스템을 강화해 뉴로모픽 반도체 및 로직 회로 수준에서 검증하는 단계로 연구를 확대해 우주항공용 AI 반도체 분야의 핵심기술로 발전시켜 나갈 계획임을 덧붙였습니다.

과기정통부의 지원과 기대

오대현 과기정통부 미래전략기술정책관은 "이번 성과는 우주와 같은 극한 환경에서도 AI 시스템이 정상 작동할 수 있다는 가능성을 보여준 사례"라며 "대한민국이 우주·항공용 AI 반도체 분야 핵심 원천기술을 확보해 자립할 수 있게 지속해서 지원하겠다"고 밝혔습니다.