초록 ▼

연구개발목표 및 내용
최종 목표
○ Spin 뉴런 및 Domain wall 시냅스 기반 극단적 에너지 절감형 고집적 뉴런 소자/회로 연구을 통한 뉴로모픽 칩 개발
- Spin 뉴런 array 기반으로 ≤10 devices/neuron, 10⁶/cm² 이상의 뉴런 집적도 구현, 뉴런 event (integrate-and-fire) current ≥10 uA, 뉴런 event cycle ≥10⁶@상온
- MNIST 학습 정확도: ≥ 90%
○ Spin

연구개발목표 및 내용
최종 목표
○ Spin 뉴런 및 Domain wall 시냅스 기반 극단적 에너지 절감형 고집적 뉴런 소자/회로 연구을 통한 뉴로모픽 칩 개발
- Spin 뉴런 array 기반으로 ≤10 devices/neuron, 10⁶/cm² 이상의 뉴런 집적도 구현, 뉴런 event (integrate-and-fire) current ≥10 uA, 뉴런 event cycle ≥10⁶@상온
- MNIST 학습 정확도: ≥ 90%
○ Spin 뉴런 및 Domain wall 시냅스 기반 뉴로모픽 시스템의 원천기술 및 IP 확보
전체 내용
○ 출력 회로 포함 뉴런 소자 집적도 ≤10⁶/cm² 만족하는 뉴런 회로 설계
○ 개발된 시냅스/뉴런 array를 이용한 Printed Circuit Board (PCB) 레벨 뉴로모픽 시스템 검증
○ Spin 뉴로모픽 시스템 칩 제작 및 Spin 소자와의 통합 거동 검증
○ ReRAM/Domain Wall 시냅스 구조에 최적화된 뉴로모픽 시스템 설계
○ 3-terminal 기반의 Spin 뉴런 소자 최초 제작
○ 3-터미널 (2 Fixed domain stack + 1 MTJ spin-value)과 Domain wall channel을 이용한 뉴런 소자 설계
○ 3 - 터미널 (2 Fixed domain stack+1 MTJ spin-valve)과 Domain wall channel을 이용한 시냅스 소자 설계
○ 외부 자기장을 활용한 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ 2 - 터미널 integrate p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ Neuromorphic system에서 sneak current 감소를 위한 cross-bar array 용 선택소자(1S) 설계
○ Spontaneous rupture 특성을 갖는 금속 필라멘트 기반 뉴런 소자 개발
○ Fab-friendly 물질을 사용한 CBRAM 기반의 NDR 뉴런 소자 설계 및 제작
○ Spin 뉴런 + ReRAM 시냅스 구동을 위한 ReRAM 의 시냅스 특성 확보 (weight level = 16)
○ Crossbar array operating을 위한 selector 개발
○ SOT 기반 뉴런 소자와 연결하기 위한 spin 시냅스 소자 개발
○ Neuron + Synapse 통합 거동을 통한 MNIST 95% 정확도 확보

1단계(해당 시 작성)
목표
○ 10³/cm² 이상의 뉴런 집적도를 위한 뉴런소자 출력 회로 최적화
○ 비대칭 selector + 1 Synapse 구조에 최적화된 뉴로모픽 시스템 설계
○ 하드웨어 조건을 고려한 간단한 패턴 인식 (90% 이상) 성공률
○ 개발된 시냅스/뉴런 array를 이용한 PCB 레벨 뉴로모픽 시스템 검증
○ 3-터미널 Spin 뉴런 소자 구조 탐색 및 설계
○ 2-터미널 수평형 Spin 뉴런 소자 구조 탐색 및 설계
○ Spin 뉴런+ReRAM 기반/Domain wall 시냅스 소자 상온 동작 구현
○ 최적 뉴런 소자 및 시냅스 소자 선택, 고집적화(10³/cm² 이상) 연구
○ Cross-bar 구조 Neuromorpic system의 sneak current 감소를 위한 1S
○ CBRAM 기반 뉴런 소자 개발
○ Spin 뉴런 특성 확보: <1 pJ/spike @상온, 10³/cm² 이상 집적도
○ Spin 시냅스 특성 확보: Excitatory/Inhibitory 특성 제어 가능 여부
내용
○ 출력 회로 포함 뉴런 소자 집적도 ≤10³/cm² 만족하는 뉴런 회로 설계
○ 개발된 시냅스/뉴런 array를 이용한 Printed Circuit Board (PCB) 레벨 뉴로모픽 시스템 검증
○ ReRAM/Domain Wall 시냅스 구조에 최적화된 뉴로모픽 시스템 설계
○ 3-terminal 기반의 Spin 뉴런 소자 최초 제작
○ 3-터미널 (2 Fixed domain stack + 1 MTJ spin-value)과 Domain wall channel을 이용한 뉴런 소자 설계
○ 3 - 터미널 (2 Fixed domain stack+1 MTJ spin-valve)과 Domain wall channel을 이용한 시냅스 소자 설계
○ 외부 자기장을 활용한 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ Neuromorphic system에서 sneak current 감소를 위한 cross-bar array 용 선택소자(1S) 설계
○ Spontaneous rupture 특성을 갖는 금속 필라멘트 기반 뉴런 소자 개발
○ Fab-friendly 물질을 사용한 CBRAM 기반의 NDR 뉴런 소자 설계 및 제작
○ Spin 뉴런 + ReRAM 시냅스 구동을 위한 ReRAM 의 시냅스 특성 확보 (weight level = 16)
○ Crossbar array operating을 위한 selector 개발

2단계(해당 시 작성)
목표
○ Spin 뉴런 및 Domain wall 시냅스 기반 극단적 에너지 절감형 고집적 뉴런 소자/회로 연구을 통한 뉴로모픽 칩 개발
- Spin 뉴런 array 기반으로 ≤10 devices/neuron, 10⁶/cm² 이상의 뉴런 집적도 구현, 뉴런 event (integrate-and-fire) current ≥10 uA, 뉴런 event cycle ≥10⁶@상온
- MNIST 학습 정확도: ≥ 90%
○ Spin 뉴런 및 Domain wall 시냅스 기반 뉴로모픽 시스템의 원천 기술 및 IP 확보
내용
○ 출력 회로 포함 뉴런 소자 집적도 ≤10⁶/cm² 만족하는 뉴런 회로 설계
○ Spin 뉴로모픽 시스템 칩 제작 및 Spin 소자와의 통합 거동 검증
○ ReRAM/Domain Wall 시냅스 구조에 최적화된 뉴로모픽 시스템 설계
○ 2 - 터미널 integrate p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계
○ SOT 기반 뉴런 소자와 연결하기 위한 spin 시냅스 소자 개발
○ Neuron + Synapse 통합 거동을 통한 MNIST 95% 정확도 확보

연구개발성과
(1) 뉴런 소자 집적도 10⁶/cm² 이상 만족하는 뉴런 회로 칩 제작 완료
(2) 2-터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 수백~수kΩ 저항차, integrate-and-fire 및 stochastic 특성을 보이는 300-nm size의 뉴런 소자 확보
(3) (1)의 회로 및 (2)의 소자를 연결하여 0.8~1.1V spike 범위 내 stochastic 특성 확보.
(4) Creep type domain wall motion을 이용한 linearity 특성을 지닌 synapse 확보.
(5) Neuron + Synapse 및 op-amp 연결하여 제작한 뉴로모픽 시스템 하드웨어를 통해 MNIST 95 % 정확도 달성.

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- Spin 뉴런소자는 자기저항메모리의 electron spin transfer와 spin-domain wall 효과를 이용한 것으로, 우리나라가 가지고 있는 세계 최고의 메모리 기술과 호환이 가능하고 고집적 및 고신뢰성을 보장함. 신개념의 뉴로모픽 소자 기술을 개발함으로써 국가 원천기술을 확보하고 뉴로모픽 인지 플랫폼에 가이드라인을 제시할 수 있음.
- Spin 뉴런 소자 및 뉴로모픽 칩을 개발하면서 얻은 메커니즘 및 연구 결과를 세계 최고 수준의 저널 및 학회에 발표하고 특허를 출원하였고 이를 통해 우리나라 뉴로모픽 기술 발전에 기여할 것으로 예상됨.
- 뉴로모픽 시스템의 원천 기술 및 IP 확보를 통해 대기업에 기술이전을 시행하며, 중소 벤처기업에게 원천기술 제공함으로써 대기업은 소자 제작 및 응용을 통한 파운더리 사업, 중소벤처 설계 및 시스템 업체는 하드웨어를 통해 사업에 응용하는 등 사업 목적에 맞게 활용하여 뉴로모픽 시스템의 국내 시장경제 활성화 및 사업화에 기여할 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 가. 뉴런회로의 필요성 ... 7
• 나. 기존 뉴런회로의 문제점 ... 7
• 다. 본 연구에서 제안하는 신개념 극단적 에너지 절감형 ... 7
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• (1) 출력 회로 포함 뉴런 소자 집적도 ≤106/cm2 만족하는 뉴런 회로 설계 ... 8
• (2) 개발된 시냅스/뉴런 array를 이용한 Printed Circuit Board (PCB) 레벨 뉴로모픽 시스템 검증 (1단계 데모) ... 9
• (3) Spin 뉴로모픽 시스템 칩 제작 및 Spin 소자와의 통합 거동 검증 (2단계 데모 예정) ... 10
• (4) ReRAM/Domain Wall 시냅스 구조에 최적화된 뉴로모픽 시스템 설계 ... 11
• (5) 3-terminal 기반의 Spin 뉴런 소자 최초 제작 ... 13
• (6) 3-터미널 (2 Fixed domain stack + 1 MTJ spin-value)과 Domain wall channel을 이용한 뉴런 소자설계 ... 14
• ( 7 ) 3 - 터미널 (2 Fixed domain stack+1 MTJ spin-valve)과 Domain wall channel을 이용한 시냅스 소자 설계 ... 15
• (8) 외부 자기장을 활용한 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계 ... 15
• ( 9 ) 2 - 터미널 integrate p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계 : Front. Neurosci. 14:309 (2020)게재 ... 17
• (10) 2 - 터미널 stochastic p-MTJ spin-valve 기반의 뉴런 소자 설계 ... 18
• (11) Neuromorphic system에서 sneak current 감소를 위한 cross-bar array 용 선택소자(1S) 설계 ... 19
• (12) Spontaneous rupture 특성을 갖는 금속 필라멘트 기반 뉴런 소자 개발 ... 20
• (13) Fab-friendly 물질을 사용한 CBRAM 기반의 NDR 뉴런 소자 설계 및 제작 ... 21
• (14) Spin 뉴런 + ReRAM 시냅스 구동을 위한 ReRAM 의 시냅스 특성 확보 (weight level = 16) ... 22
• (15) Crossbar array에서의 operating을 위한 selector 개발 ... 23
• (16) SOT 기반의 뉴런 소자와 연결하기 위한 spin 시냅스 소자 개발 ... 23
• (17) Neuron + Synapse 두 가지 소자의 통합 거동 ... 25
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 26
• 1) 연구수행 결과 ... 27
• 2) 목표 달성 수준 ... 37
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 44
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 44
• 2) 자체 보완활동 ... 44
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 44
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 45
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 45
• 붙임. 참고문헌 ... 46
• 끝페이지 ... 47