초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
1. 광학-전자-역학 에너지 커플링 분석 및 최적화 양자 신경망 소자 디자인 구축
2. 하이브리드 커플링 및 비선형적 특성을 이용한 소자 신경망 정보 전달 방식 규명
3. 비선형적 특성을 활용한 연산 알고리즘 연구 및 컴퓨팅 파워 효율 기술 개발
○ 전체 내용
뉴런과 시냅스가 동일 평면상에 작동하는 반도체 양자 포토닉 신경망 소자를 "bio-inspired spike processor"로 실질적으로 운용할 수 있도록 실험적 구현 가능한 신경망 플랫폼 개발 및

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
1. 광학-전자-역학 에너지 커플링 분석 및 최적화 양자 신경망 소자 디자인 구축
2. 하이브리드 커플링 및 비선형적 특성을 이용한 소자 신경망 정보 전달 방식 규명
3. 비선형적 특성을 활용한 연산 알고리즘 연구 및 컴퓨팅 파워 효율 기술 개발
○ 전체 내용
뉴런과 시냅스가 동일 평면상에 작동하는 반도체 양자 포토닉 신경망 소자를 "bio-inspired spike processor"로 실질적으로 운용할 수 있도록 실험적 구현 가능한 신경망 플랫폼 개발 및 고효율의 하이브리드 커플링을 통한 정보 전달 기술 개발
○ 1단계
● 목표
반도체 양자 단일 신경망 소자 개발 및 신경망 메카니즘 규명
● 내용
1. 실험적 구현 가능한 GaAs 양자점 기반 하이브리드 신경망 단일 소자 플랫폼 제시
2. 양자 신경망 소자의 구동 소스 에너지 교환 손실 극대화 기술 개발
3. 신경망 형성 방식 규명
○ 2단계
● 목표
반도체 양자 다체 신경망 소자 개발 및 신경망 메카니즘 규명
● 내용
1. 실험적 구현 가능한 신경망 다체 소자 플랫폼 제시
2. 비선형성 기반 양자 신경망 네트워크 방식 규명
3. 커플링 에너지 효율 극대화 기술 개발

□ 연구개발성과
1단계 결과
● 실험적 구현 가능한 반도체 양자 신경망의 나노 단위 플랫폼 제시, 동작 방식 규명 및 소자의 양자 역학적 구동 한계 범위 제시, 신경망 형성을 위해 비선형적 조건을 극대화시키는 나노 단위 실측 조건 제시 [B1]
● 고효율 신경망 구현 메커니즘 개발
양자 신경망 소자의 구동 스위치로 작동하는 물방울 양자점의 특성 및 에너지 교환 손실 최소화 방식 개발 [B2-3]
[B1] I. Yeo et al. Sci. Rep. 9, 18564 (2019)
[B2] I. Yeo et al. ACS Omega 3, 8677 (2018)
[B3] S. Lee & I. Yeo et al. Curr. Appl. Phys. 18, 829 (2018)
2단계 결과
● 고효율 신경망 구현 메커니즘 개발
양자 신경망 소자의 GaAs 양자점 구동 스위치와 stimulator 빛과의 에너지 교환 손실을 최소화하는 실질적 방안을 원자 단위의 위치별 TEM-EDS 화학 양론적 비교 분석 및 3차원 심화 연산을 통해 규명[S1-2]
[S1] I. Yeo et al., Nanomaterials 10, 1301 (2020) (Cover letter)
[S2] I. Yeo et al., J. of Mat. Sci.: Mat. in Electronics 31, 16338 (2020) (Online First)

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
기하급수적으로 증가한 정보 처리량과 비례하여 기존 전자기 시스템을 합리적이고 효율적으로 운용하는 방안으로 연구책임자는 기 종료 사업에서 MEMS와 상호 보완적 형태의 반도체 포토닉 소자의 양자 신경망 기술 개발을 제안하였다. 기 사업 과제 연구 활동으로부터 뉴런과 시냅스가 동일 평면상에 작동하고 고밀도 직접이 가능한 포토닉 나노 소자 와이어/마이크로필라 플랫폼 및 비선형성 특화 디자인 방법론을 제시하였고, 소자 동작을 위한 양자점 소스의 양자 에너지 교환 효율 극대화, 위치 공학 설계법 및 양자역학적 양자점 소스 구동 한계 범위를 제시하였다. 무엇보다 소자의 포토닉 spike processor 작용 매개체인 선 공학적 설계된 물방울 양자점의 에너지 효율 극대화 방식 규명 연구는 신경망의 동작 효율 향상뿐 아니라 기존의 단일 광원 기반 양자 정보 통신 공학 분야의 발전에 획기적으로 일조할 수 있는 결과이다. 실질적 공학 설계에서 양자점 동작 소스의 양자 구속 효과에 따른 (교환) 에너지 레벨 조절 및 정교한 빛과의 커플링 극대화 조건·방식을 제시함으로써 양자점 스위치 기반 양자 신경망 소자 개발 및 동작 파워 저감 기술의 실질적 가이드로 사용될 것으로 사료된다. 이렇게 양자 광학, 전자·광·역학 등의 융합 분야를 아우르는 포토닉 소자의 외형 디자인 및 구동 스위치 공학 가이드라인을 제시하여 각종 cavity 기반 반도체 포토닉 소자들의 신경망 소자로서의 막대한 활용 가능성에 주목하도록 할 뿐 아니라 반도체 포토닉 저전력 신경망 구축 연구 및 관련 포토닉 에너지/정보 전달 산업으로의 응용에 촉진제로 작용할 것으로 사료된다. 또한 2단계에서 신경망 형성을 위해 나노 하이브리드 소자를 bio-inspired spike processor로 동기화 방식으로 작동시키는 과정에서 나노 단위의 하부 구조가 작동 기재를 완전히 무너뜨릴 수 있다는 실험적 사실을 예상치 못하게 발견함에 따라 다체계 신경망 형성을 위한 세부 디자인법 및 커플링 극대화 방안을 추가로 연구, 개발하고 중간 도출 결과를 정리하여 세계 유수의 저널에 투고를 준비하고 있다. 현재 이들 반도체 포토닉 플랫폼들의 인공신경망 소자로서의 활용도는 매우 제한적인 실정이며 따라서 기 종료 과제 연구 기술 개발 결과를 바탕으로 포토닉 다체계의 즉각적 동기화 및 네트워크 조절 기술을 확장 연구한다면 유아기 체제에 머무르고 있는 포토닉 반도체 네트워크 구현 및 연계 인공신경망 소자 개발 외 양자 정보 통신 공학 분야를 아우르는 광범위한 산업 발전에 획기적으로 일조할 것으로 사료된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 5
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 5
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 9
• 3) 목표 달성 수준 ... 9
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 9
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 10
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 11
• 6. 참고문헌 ... 11
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 30