미국 일리노이 주 노스웨스턴 대학의 엔지니어들은 인공 지능 하드웨어 연구에서 획기적인 성과를 거두었습니다. 그들은 살아있는 뇌 세포와 직접 통신할 수 있는 인공 뉴런을 인쇄했습니다. 4월 15일 Nature Nanotechnology 저널에 발표된 이 획기적인 기술은 인간의 신경계와 보다 자연스럽게 작동하는 뇌-기계 인터페이스와 오늘날의 데이터 센터보다 훨씬 적은 에너지를 소비하는 컴퓨팅 시스템을 향한 길을 열어줍니다.
이 연구를 이끄는 문제
현대 인공 지능 시스템은 강력하지만 에너지 부족 현상이 매우 심합니다. 대규모 언어 모델을 훈련하고 대규모로 추론을 실행하려면 기가와트의 전력을 소비하는 데이터 센터가 필요합니다. 연구를 주도한 노스웨스턴 대학의 재료과학 교수인 마크 허삼(Mark Hersam)은 도전의 규모를 분명하게 설명했습니다. 현재 추세는 전용 원자력 발전소를 운영해야 하는 차세대 데이터 센터를 가리키고 있습니다. 전기 외에도 데이터 센터는 냉각을 위해 엄청난 양의 물에 의존하므로 이미 부족한 물 공급에 추가적인 스트레스를 가하고 있습니다.
대조적으로 우리의 뇌는 약 20와트의 전력으로 작동합니다. 이는 희미한 전구 하나만큼의 전력입니다. Hersam과 그의 팀은 뇌가 디지털 컴퓨터보다 에너지 효율성이 5배 더 효율적이어서 생물학적 신경 구조가 차세대 컴퓨팅 하드웨어를 위한 가장 매력적인 모델이 된다고 주장합니다.
인쇄된 뉴런의 작동 방식
연구팀은 유연한 폴리머 기판에 전자 잉크 층을 증착하는 에어로졸 제트 프린팅이라는 프로세스를 사용하여 인공 뉴런을 구축했습니다. 잉크에는 반도체 역할을 하는 이황화몰리브덴의 나노크기 조각과 전기 전도체 역할을 하는 그래핀이라는 두 가지 주요 재료가 포함되어 있습니다. 이러한 물질은 함께 멤리스터 나노시트 네트워크(memristive nanosheet network)로 알려진 장치를 형성합니다. 이 구조는 반복 사용에 따라 생물학적 시냅스가 강화되거나 약해지는 것과 마찬가지로 과거 활동에 따라 전기 저항이 변하는 구조입니다.
중요한 통찰력은 예상치 못한 출처, 즉 연구자들이 일반적으로 프린팅 후 태워버리는 안정화 폴리머에서 나왔습니다. 노스웨스턴 팀은 폴리머를 완전히 제거하는 대신 부분적으로만 분해함으로써 인쇄물에 제어된 결함을 도입할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이러한 결함으로 인해 전류가 집중되는 좁은 전도성 채널이 생성됩니다. 전류가 해당 채널을 통과하면 장치가 빠르게 켜지고 꺼지며 급격한 전압 스파이크가 발생합니다.
이러한 전압 스파이크는 실제 뉴런이 발화할 때 생성하는 활동 전위(전기 자극)와 매우 유사합니다. 결정적으로, 이 장치는 단순히 균일한 온-오프 펄스를 생성하지 않습니다. 그들은 고립된 스파이크, 지속적인 폭발, 리드미컬한 진동을 포함하여 풍부하고 다양한 발사 패턴을 생성하여 생물학적 뉴런이 표시하는 행동의 다양성과 일치하고 뇌가 놀라운 효율성으로 정보를 인코딩할 수 있도록 합니다.
살아있는 조직과의 의사소통
인공 뉴런이 단지 생물학적 신호와 유사한 것 이상을 수행할 수 있는지 테스트하기 위해 연구진은 노스웨스턴 신경생물학 교수인 인디라 라만(Indira Raman)과 협력했습니다. 연구팀은 인쇄된 장치를 운동 조정을 관장하는 뇌 영역인 쥐 소뇌 조각에 연결하고 신호를 살아있는 조직에 발사했습니다.
생물학적 뉴런이 반응했습니다. 인공 뉴런은 조직의 실제 신경 회로를 활성화하기 위해 올바른 모양과 타이밍으로 신호를 생성하여 이전 뉴로모픽 장치가 달성하지 못한 수준의 생체 적합성을 보여주었습니다.
Hersam은 “살아있는 뉴런이 인공 뉴런에 반응하는 것을 볼 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그래서 우리는 살아있는 뉴런과 직접 상호 작용하는 데 적합한 시간 척도일 뿐만 아니라 올바른 스파이크 모양의 신호를 입증했습니다.”
연구팀은 기본 회로 구성 요소와 결합된 단 두 개의 인쇄된 뉴런을 사용하여 이러한 결과를 달성했습니다. 이는 심지어 적당한 기능을 달성하기 위해 수백만 개의 균일한 인공 뉴런이 필요한 기존의 뉴로모픽 칩과 극명한 대조를 이룹니다.
뇌-기계 인터페이스에 대한 시사점
살아있는 신경 조직과 직접 소통하는 능력은 의료 기술에 있어 상당한 잠재력을 갖고 있습니다. 상실된 감각 또는 운동 기능을 회복하는 장치인 신경보철은 현재 근본적인 한계에 직면해 있습니다. 단단한 실리콘 전극은 시간이 지남에 따라 뇌가 잘 견딜 수 없는 조잡하고 부정확한 방식으로 뉴런을 자극합니다. 생물학적으로 정확한 신호를 생성할 수 있는 유연하고 인쇄된 장치는 청력, 시력 또는 움직임을 복원하도록 설계된 임플란트의 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다.
인쇄된 기판의 유연성은 실제 주입에도 중요합니다. 부드럽고 움직이는 뇌 조직에 붙어 있는 견고한 전자 장치는 시간이 지남에 따라 기계적 스트레스와 염증을 유발합니다. 노스웨스턴 팀이 개발한 것과 같은 부드럽고 유연한 장치는 조직과 함께 움직여 잠재적으로 장기적인 손상을 줄일 수 있습니다.
에너지 효율적인 AI를 향한 더 먼 길
더 멀리 떨어져 있지만 잠재적으로 변화를 가져올 수 있는 애플리케이션은 에너지 효율적인 인공 지능 하드웨어입니다. 오늘날의 실리콘 칩은 수십억 개의 동일한 트랜지스터를 함께 포장하여 계산상의 복잡성을 달성합니다. 뇌는 다양성을 통해 훨씬 더 큰 효율성을 달성합니다. 서로 다른 발사 동작을 가진 다양한 유형의 뉴런이 함께 작동하여 시스템이 훨씬 적은 총 구성 요소를 사용하여 정보를 인코딩하고 처리할 수 있습니다.
Hersam의 팀은 그들의 제조 접근 방식이 단일 인쇄 가능한 프로세스에서 다양하고 복잡한 발사 동작을 가진 인공 뉴런을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 이 기술에는 실리콘 칩이 요구하는 값비싸고 고도로 제어되는 반도체 제조 시설이 필요하지 않습니다. 연구원들은 부드러운 소재와 인쇄 방법을 사용하여 제조 복잡성의 일부만으로 생물학적 뉴런의 풍부한 행동에 접근하는 장치를 생산했습니다.
“실리콘은 수십억 개의 동일한 장치를 보유함으로써 복잡성을 달성합니다.”라고 Hersam은 말했습니다. “모든 것이 일단 제작되면 동일하고 견고하며 고정됩니다. 두뇌는 그 반대입니다. 이질적이고 역동적이며 3차원적입니다. 그런 방향으로 나아가려면 전자 제품을 만드는 새로운 재료와 새로운 방법이 필요합니다.”
연구원들은 실험실 시연을 실제 컴퓨팅 하드웨어로 전환하려면 추가 개발에 수년이 걸릴 것이라고 경고합니다. 유망한 장치에서 데이터 센터가 채택할 수 있는 제조 가능한 칩으로 가는 길은 멀고 불확실합니다. 그러나 이 연구는 인쇄된 유연한 재료가 보다 효율적인 AI 하드웨어에 필요한 다양하고 생물학적으로 현실적인 신경 신호를 생성할 수 있다는 개념 증명을 확립했습니다.
더 넓은 변화 내의 맥락
노스웨스턴의 혁신은 인공 지능 산업이 지속적인 확장에 따른 에너지 비용 문제로 심각하게 고민하고 있는 순간에 이루어졌습니다. 보다 효율적인 AI 하드웨어에 대한 경쟁 접근 방식에는 전기 대신 빛을 사용하는 광자 칩, 특수 추론 프로세서, Intel 및 IBM과 같은 회사의 다양한 뉴로모픽 설계가 포함됩니다. 인쇄된 뉴런 접근 방식은 부드럽고 유연한 재료를 사용하고 생물학적 조직과 직접 인터페이스할 수 있는 능력이 입증된 점에서 뚜렷합니다. 이는 현재 실리콘 기반 대안 중 어느 것과도 비교할 수 없는 조합입니다.
이번 연구는 미국 국립과학재단의 지원을 받았다. 연구팀에는 인공지능, 신경과학, 나노기술의 교차점에 있는 연구의 본질적인 학제간 성격을 반영하는 노스웨스턴 대학의 재료과학, 신경생물학, 전기공학과의 과학자들이 포함되었습니다.
