초록 ▼

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
기존 CMOS 회로 기반 뉴런을 대체하기 위해 positive feedback 동작 원리를 기반으로 신개념 상온 동작 가능한 고집적 및 저전력 뉴런 소자/회로를 제안하고 이에 적합한 neural network 알고리즘 개발과 통합 시스템 개발
전체 내용
- 새로운 개념의 Integrate-and-Fire 뉴런 소자 개발
집적도 1.25×10⁷/cm² 뉴런 소자 및 에너지 소모 0.25 pJ/spike 뉴런 회로 개발
이에 Exc

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
기존 CMOS 회로 기반 뉴런을 대체하기 위해 positive feedback 동작 원리를 기반으로 신개념 상온 동작 가능한 고집적 및 저전력 뉴런 소자/회로를 제안하고 이에 적합한 neural network 알고리즘 개발과 통합 시스템 개발
전체 내용
- 새로운 개념의 Integrate-and-Fire 뉴런 소자 개발
집적도 1.25×10⁷/cm² 뉴런 소자 및 에너지 소모 0.25 pJ/spike 뉴런 회로 개발
이에 Excitatory, Inhibitory 신호 처리 기능을 추가하여 0.5μm CMOS 공정 기준 집적도 2×10⁶/cm² 뉴런 소자 개발
0~80 ℃에서 Positive Feedback 동작 검증
에너지 소모 0.25 pJ/spike 뉴런 회로 개발 (1 PF 뉴런 소자 + 4 Transistors)
10개 PF 뉴런 소자 문턱 전압 산포 ~3.2% 및 메모리 기능을 이용한 문턱 전압 조절 기술 개발
- Silicon 기반 시냅스 소자 및 어레이 개발
메모리 기능을 가지는 Dual-gate FET-type 시냅스 소자 및 어레이 개발 (10F², 마스크 수 6개)
어레이 내에서 선택적 프로그램/이레이즈 Scheme 개발
- DNN 및 SNN 학습 아키텍쳐 탐구
측정에 기반한 PF뉴런 소자의 Integrate-and-Fire 뉴런 모델링
제작된 뉴런 및 시냅스 소자를 기반으로 한 뉴럴 네트워크 구현 (하드웨어 기반 MNIST 학습 정확도 ~98%)

1단계
목표
- Positive Feedback (PF) 기반 뉴런 소자 제작, 측정 및 분석
- PF 뉴런 소자 기반 회로 설계
- PF 뉴런 소자 기반 회로 공정 설계 및 제작
- PF 뉴런 소자 활용 가능한 DNN 및 SNN 아키텍쳐 연구
내용
- p-type/n-type PF 기반 뉴런 소자 제안 및 integrate-and-fre 특성 분석 (spike width < 10~100 μs, 동작 전압 < 1~1.5V)
- Mixed mode simulation을 통하여 PF기반 뉴런 소자를 포함하는 뉴런회로 전력 소모 비교 (output spike < 1 pJ)
-Super SS 특성을 가지는 PF 뉴런 소자 개발 (SS < 0.04mV/dec)
-Integrate-and-fire 기능을 구현하는 PF 기반 뉴런 소자 구동 회로 설계 및 Circuit simulation을 통해 PF 기반 뉴런 소자 구동 회로 동작 확인 (devices < 6개)
- 시냅스 및 PF기반 뉴런 회로 어레이를 포함한 SNN 시스템 제안 및 multi-PF 기반 뉴런 회로 동작 확인 (integrate-and-fire, reset, lateral inhibition)
-p-type/n-type PF 기반 소자 및 주변 회로 포함하여 PF 기반 뉴런 회로 공정 제작 (devices < 6개, 마스크 < 12장)
-PF 기반 소자를 포함하는 뉴런 회로 어레이 제작 (뉴런 회로 어레이 : 4x1)
- STDP기반 SNN의 인식률 향상을 위하여 항상성 기능 제안.
- Input layer (28x28) 및 output layer (200)로 구성된 STDP 학습 방법기반 비지도학습(unsupervised learning) 시스템에 제안된 PF 기반 뉴런소자의 특성을 반영하여 PF기반 뉴런 소자의 integrate-and-fire 검증. (MNIST 인식률 > 90%, 시냅스 및 뉴런 회로의 편차 σ/μ > 0.3)

2단계
목표
- Integrate-and-fire 소자를 포함한 뉴런 회로 및 어레이 공정
- Integrate-and-fire 소자를 포함한 뉴런 회로 특성 분석 및 charge trap 가지는 back gate 절연막 program/erase 분석
- Positive Feedback (PF) 기반 뉴런 소자 측정 및 분석
- Integrate-and-fire 소자 기반 뉴런 시스템 집적 및 하드웨어를 통한 시스템 검증
- Excitatory 및 inhibitory 시냅스 기능을 적용한 정확도 높은 SNN 구현
- PF 뉴런 소자와 한 웨이퍼에서 공정 가능한 시냅스 소자 개발
내용
- PF 기반 소자 및 주변 회로 포함하여 PF 기반 뉴런 회로 공정 제작. (devices < 6개, 마스크 < 12장, 집적도 > 10⁴/cm²)
-PF 기반 소자를 포함하는 뉴런 회로 어레이 제작. (뉴런 회로 어레이 : 4x1)
- 단위 회로 측정 및 분석.
- Al₂O₃/Si₃N₄ gate stack을 이용하여 Leaky IF 동작을 하는 뉴런 특성 분석 및 검증.

단일 소자에서 뉴런의 integrate-and-fire 기능 구현 및 동작 검증.
- 제작한 PF 뉴런 소자의 Retention 특성 분석 및 Excitatory and Inhibitory 기능 검증.
- 10개의 뉴런 소자의 문턱전압 특성 분석 및 메모리 기능을 이용하여 뉴런 간 편차 개선.
- 0.5 μm CMOS 공정에서 2×10⁶/cm²의 PF 소자 제작 및 동작 검증 성공. high tech 공정으로 제작 시 1×10⁷/cm² 이상 달성 가능.
- 0~80℃에서 측정을 통해 제작한 뉴런 소자의 Postivie Feedback 동작검증.
- PF 소자와 CMOS 회로를 이용하여 뉴런 회로 제작 및 동작 검증. 패키징을 통한 PCB 동작 검증
- 제작한 PF 소자의 측정을 통해 Leaky Integrate & Fire 뉴런 모델링.
- 하드웨어 기반 MNIST 학습 정확도 > 98% 달성.
- 안정적이고 저전력의 시냅스 소자를 PF 뉴런 소자와 하나의 웨이퍼 상에서 공정 진행 및 결과 분석. 이를 통한 어레이 제작 및 안정적인 Selected PGM/ERS Scheme 제안 및 검증.

연구개발성과

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
□ 고집적 및 저전력 뉴런 소자 및 회로 원천 기술 획득
본 연구에서 개발한 뉴런 소자의 경우, 그 특성상 기존의 회로에 비해 전력 측면에서 많은 장점을 가질 수 있을 것으로 판단함. 따라서 실용성이 있는 최신 뉴로모픽 소자 기술을 개발함으로써 국가 원천기술을 확보하고 뉴로모픽 인지 플랫폼에 가이드라인을 제시할 수 있음.
□ 연구 수행 결과의 논문 및 특허화
본 연구 과제를 수행하여 발생하는 모든 결과에 대해서는 관련 분야의 주요 저널에 투고할 수 있도록 하고, 원천기술에 대한 특허를 출원하여 과학기술의 발전에 크게 기여할 것으로 예상함.
□ 연구 결과 기술 이전
본 연구팀에서 개발된 신경 모방 소자/회로 어레이를 아키텍처 팀이 개발한 하드웨어로 소자업체가 제작하고, 이것을 이용하여 참여한 설계 및 시스템 업체가 각자의 사업 목적에 맞게 활용하도록 함. 또한, 개발된 응용 학습 알고리즘을 각자의 사업에 맞게 개량하도록 함. 이렇게 되면 소자업체는 자체응용 및 파운드리 사업을 할 수 있고, 중소벤처 설계 및 시스템 업체는 대기업으로부터 하드웨어를 받아서 관련 사업에 응용을 할 수 있는 아주 효과적인 기회가 마련될 수 있음.
□ 연구 결과 기술 사업화
기존 CMOS 기술과 호환성이 좋은 본 연구의 시냅스 및 뉴런 회로 기술은 SK하이닉스, 삼성전자, 마그나칩반도체, 동부하이텍, 티엘아이, 아나패스, 픽셀플러스, 실리콘마이터스, GCT Semiconductor, Inc., FCI 커뮤니케이션스, LG 전자, 현대 자동차, 현대 오트론 등의 기업을 대상으로 다양하게 활용되어 사업화로 진행될 가능성이 높음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• - 1세부 연구내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 26
• 1) 연구수행 결과 ... 26
• 2) 목표 달성 수준 ... 37
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 40
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 40
• 2) 자체 보완활동 ... 40
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 41
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 41
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 42
• 끝페이지 ... 44