고려대학교(총장 김동원)는 KU-KIST 융합대학원 왕건욱 교수와 박영란 연구교수가 전기 신호와 빛 신호를 동시에 출력하는 ‘이중 출력 인공 시냅스’를 개발했다고 밝혔다. 이는 하나의 AI 반도체에서 서로 다른 작업을 동시에 수행할 수 있는 기반을 마련한 것으로, 차세대 저전력 인공지능 구현에 한 걸음 다가섰다.

본 연구 성과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 세계적 권위의 국제학술지 ‘Science Advances(IF=12.5)’ 온라인에 2월 20일 게재됐다.

인간의 뇌는 하나의 신경망으로 여러 일을 동시에 수행하거나 빠르게 전환해도 에너지 소모가 적다. 반면, 기존 AI 반도체는 보통 하나의 작업에 맞춰 설계돼 있어 여러 일을 처리하려면 연산을 나누거나 순차적으로 수행해야 했고, 이 과정에서 전력 소모가 크게 늘어나는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 하나의 인공 시냅스에서 전기와 빛, 두 가지 신호를 동시에 출력하는 구조를 제안했다. 이 구조는 두 출력을 각각 독립적인 학습 경로로 활용하면서도 동일한 학습 상태를 공유해, 성격이 다른 AI 작업을 하나의 하드웨어에서 병렬로 수행할 수 있다. 이를 통해 추가적인 시냅스 배열이나 반복 연산 없이도 멀티태스킹이 가능해져, 구조적 비효율을 크게 줄였다.

실험 결과, 해당 인공 시냅스는 반복적인 학습 환경에서도 성능이 안정적으로 유지돼, 여러 작업을 동시에 학습하더라도 기존에 학습한 정보가 쉽게 손실되지 않음을 확인했다. 특히 1,000단계 이상의 안정적인 시냅스 상태를 확보하여, 멀티태스킹 학습 환경에서의 신뢰성을 입증했다.

이러한 구조를 적용한 AI 시스템은 계산 속도를 기존 단일 작업 방식 대비 최대 47% 향상됐고, 이미지 재구성 작업에서도 약 29%의 속도 개선을 보였다. 또한 GPU 기반 AI 가속기와 비교해 에너지 소모를 최대 32.4배까지 줄일 수 있음을 확인했다.

왕건욱 교수는 “이번 성과는 전기와 빛 신호를 동시에 활용하는 인공 시냅스를 통해 멀티태스킹 AI를 위한 새로운 하드웨어 구조를 제시한 것”이라며 “로보틱스, 의료·헬스케어, 자율주행 등 복합적인 판단이 필요한 분야에서 고속·저전력 AI 시스템으로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 중견연구사업, 나노소재원천기술개발사업, 한국과학기술연구원 위탁연구의 지원을 받아 수행됐다.