초전도 나노와이어 인공뉴런, 인간 뇌 수준 에너지 효율 달성… MIT 이론적 설계

과학이 아는 가장 매혹적인 컴퓨팅 장치: 인간 뇌

과학이 아는 가장 매혹적인 컴퓨팅 장치는 인간 뇌입니다. 단일 구성요소인 뉴런 그룹의 도움으로 다양한 복잡한 연산을 수행합니다.

현대 CPU가 기가헤르츠 속도로 동작하는 반면, 뇌는 불과 몇 헤르츠 클럭 속도로 작동합니다. 하지만 초당 수조 번 계산[병렬로]을 수행해 기존 컴퓨터가 아직 달성하지 못한 복잡한 일들(대화, 걷기, 운전 등)을 인간이 쉽게 할 수 있게 합니다.

오늘날 컴퓨팅 장치와 비교해 우리 뇌는 이러한 작업을 수행하는 데 매우 적은 에너지를 소모합니다. 따라서 연구자들은 효율적인 신경망을 사용해 인간 뇌 컴퓨팅 성능을 모방하려 시도합니다. 기존 마이크로프로세서를 신경망처럼 작동하도록 프로그래밍할 수 있지만, 과도한 계산 자원과 에너지를 사용합니다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT 컴퓨터 과학자들은 아이디어를 냈습니다: 인공 뉴런을 만들고 인간 뇌 같은 네트워크로 연결합니다. 이 설계를 구현하기 위해 초전도 나노와이어에서 인공 뉴런을 설계했습니다.

이러한 인공 뉴런으로 만든 장치는 이론적으로 인간 뇌만큼 효율적으로 작동할 수 있습니다.

인공 뉴런 주요 특징

생물학적 뉴런은 정보를 인코딩하는 전기 스파이크를 생성해 신경 길이를 따라 이동합니다. 정보는 시냅스(두 신경세포 간 접합)를 통해 다른 뉴런으로 전달됩니다.

다른 뉴런은 이 정보를 전달하거나 차단할 수 있습니다. 실제로 여러 입력에 반응해 하나의 출력을 생성하는 논리 게이트처럼 행동할 수 있습니다.

이 뉴런들은 들어오는 전기 펄스가 임계값을 초과하지 않으면 발화하지 않습니다. 특정 시간이 지나기 전에는 다시 발화할 수 없는데, 이를 불응기(refractory period)라고 합니다.

출처: arXiv:1907.00263

새 초전도 나노와이어는 생물학적 뉴런의 이 모든 특징을 모방합니다. 임계값보다 높은 전류가 흐를 때 나노와이어 초전도성이 무너지는 이상한 비선형 특성을 가집니다.

이는 저항 급증으로 인한 전압 펄스를 생성해 생물학적 뉴런의 전기 스파이크와 유사합니다. 두 번째 나노와이어가 생성한 다른 펄스를 변조하는 데 사용돼 시뮬레이션을 더 정확하게 만듭니다.

이미지 출처: Adobe Stock

따라서 나노와이어로 만든 간단한 회로는 발화 임계값, 이동 시간(회로 특성 튜닝으로 조정 가능), 불응기 등 뉴런 주요 특성을 모방할 수 있습니다.

전력 효율과 한계

이러한 초전도 회로 에너지 효율은 생물학적 신경망과 맞먹습니다. 연구팀에 따르면 제안된 인공 신경망은 초당 와트당 약 100조 시냅스 연산을 수행할 수 있습니다.

시뮬레이션은 유망해 보입니다. 성공하면 속도와 전력 면에서 고도로 경쟁력 있는 기술이 될 수 있습니다. 이 설계는 대규모 신경모방 프로세서를 가능하게 해 스파이킹 신경망으로 훈련돼 패턴 인식 등 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.

다른 개념처럼 자체 한계도 있습니다: 초전도 뉴런은 소수 다른 뉴런과만 연결될 수 있습니다. 반면 생물학적 뉴런은 수천 개 다른 뉴런과 연결됩니다. 현재로선 원칙 증명 시연이 필요한 설계 단계입니다.