Online학습가능한산화물멤리스터어레이소자기반의

하드웨어뉴로모픽시스템개발


고려대학교 KU-KIST융합대학원/융합에너지공학과 왕건욱 교수 연구팀과 광주과학기술원 이병근 교수 연구팀은 두뇌의 신경망을 직접 모사한 뉴로모픽 시스템의 소자 단위의 구현을 위해 안정적이고 고신뢰성의 비휘발성 아날로그 스위칭 특성을 갖는 산화물 멤리스터를 설계/제작하였고, 이를 PCB와 결합하여 하드웨어 뉴로모픽 시스템의 온라인 학습을 실현하였다. 특히 화학 조성비 최적화된 타이타늄 산화물 소재를 활용한 멤리스터 소자는 대면적 어레이 구동에서도 통계적인 균일성, 반복 구동 안정성, 시냅스 가소성, 소자 내구성 등을 나타내었고, 이는 기존 소자 대비 매우 뛰어난 비휘발성 아날로그 스위칭과 함께 셀렉터가 필요하지 않은 하드웨어 뉴로모픽 시스템의 시냅스 웨이트 학습 매체로 활용될 수 있는 가능성을 보였다. 본 연구내용의 독창성과 우수성을 인정받아 세계적인 학술지인 Advanced Science (IF = 16.806)지에 2022년 06월 출판되었다.

 산화물 멤리스터 기반의 비휘발성 아날로그 스위칭 특성과 이에 기반한 하드웨어 컨볼루션 뉴럴 네트워크의 온라인 객체 학습/인식 과정


 본 전자소자는 물리적 기상 증착법으로 공정된 타이타늄 산화물과 상/하부 알루미늄 전극으로 이루어진 수직 2-전극 구조로 이루어져 있으며, 일반적인 바이폴라 메모리 소자와 같이 각각 다른 전압 방향에서 전도성을 증가하거나 감소시킬 수 있다. 아날로그 전도성 변화 쓰기 과정은 상부 전극에 인가되는 펄스의 크기 및 시간, 간격으로 조절되며 25x25 어레이 안에서 매우 균일한 문턱전압 스위칭과 ON/OFF 비율, 그리고 전도성 레벨을 확인하였다. 전도성 변화는 전체 저항을 결정하는 상부 전극과 타이타늄 산화물 계면에서 이루어지며, 음의 전압에서 표면 산소이온이 벌크 부분으로 이동하여 저항이 낮아지고, 양의 전압에서 다시 표면에 모인 산소이온으로 인해 저항이 높아지게 된다. 타이타늄 산화물의 산소 비율이 너무 낮을 경우 스위칭 안정성이 낮아지며, 산소 비율이 높을 경우 ON/OFF 스위칭 비율이 낮아지는 경향을 보인다. 본 연구에서는 Rutile 타이타늄 산화물 증착으로 Lattice value 만큼의 산소 비율을 확보하는데 성공하여, 높은 스위칭 성능과 안정성 모두를 확보하였다.


 이를 통해 PCB 유닛과 결합된 멤리스터 어레이 소자는 회로 인가 전압 펄스로 쓰기/읽기/지우기 과정을 수행하였으며, 회로 구동에서도 마찬가지의 균일성과 안정성을 확인하였다. 본 소자를 활용한 하드웨어 뉴로모픽 시스템의 적용 가능성을 확인하기 위해, MNIST 숫자 및 그림 이미지를 전압 형태로 소자 어레이에 encoding 된 kernel 과 병렬 연산하고, vector-matrix multiplication 결과를 propagation 함으로써 소자 기반의 객체 인식 성능을 확인하였다. 또한 back-propagation 연산 결과를 통하여 kernel 소자 시냅스 웨이트 정보를 업데이트 함으로써 우수하고 향상된 뉴로모픽 학습 성능을 보였다. 본 연구는 기존의 멤리스터 어레이 소자의 낮은 균일성으로 인한 개별 쓰기 전압을 조절하는 회로 유닛이 필요치 않은 장점을 통해, 전체 어레이 단위에서의 학습률 조절을 펄스 전압 크기 변화를 통해 실현하여, 빠르고 효율적인 뉴로모픽 학습 방법을 제안하였다.

 

 본 연구는 한국연구재단, KU-KIST 연구기금, KU Future Research Grant, Brain Korea 21 (BK21), IC Design Education Center(IDEC) 사업의 지원을 받아 수행되었다.


▶ 논문명: A learning-rate modulable and reliable TiOx memristor array for robust, fast, and accurate neuromorphic computing

▶ 저널명: Advanced Science, 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201117

▶ 저자 정보: 장진곤 (고려대학교, 제 1저자), 기상균 (광주과학기술원, 제 1저자), 여인준 (광주과학기술원), 최상현 (고려대학교), 장성훈 (고려대학교), 함성길 (고려대학교), 이병근 (광주과학기술원, 교신저자), 왕건욱 (고려대학교, 교신저자) 포함 총 8 명