한양대학교 공과대학 융합전자공학부 유호천 교수 연구팀이 빛으로 무작위 신호를 만들고 미세한 전압으로 확률을 조절할 수 있는 ‘광 기반 확률비트 소자’를 개발했다. 그동안 개발된 확률비트 소자들은 무작위 신호 생성과 확률 조절 과정이 모두 전기 신호에 의존했다. 소자 내부에 들어온 빛의 파장과 세기에 따라 서로 다른 방향의 광전류가 발생하도록 설계해 무작위 신호는 빛으로 만들고 확률 분포는 전압으로 조절하도록 설계했다.
왼쪽 상단부터 유호천 교수, 한준규 교수, 서주형 박사와 왼쪽 하단부터 박태현 박사, 박준영 석박통합과정생. 한양대 학교 공과대학 융합전자공학부 유호천 교수 연구팀이 빛으로 무작위 신호를 만들고 미세한 전압으로 확률을 조절할 수 있는 ‘광 기반 확률비트 소자’를 개발했다.
이번 연구는 차세대 확률컴퓨팅 하드웨어 구현 가능성을 넓혔다는 평가를 받는다. 확률컴퓨팅은 0과 1 중 하나로 값이 고정되는 기존 디지털 비트와 달리 0과 1 사이를 확률적으로 오가는 ‘확률비트’를 활용하는 방식이다. 정답 후보가 많은 최적화 문제나 머신러닝 분야에서 확률 탐색으로 해답을 빠르게 찾을 수 있어 미래 컴퓨팅 기술로 주목받고 있다. 그동안 개발된 확률비트 소자들은 무작위 신호 생성과 확률 조절 과정이 모두 전기 신호에 의존했다.
이 때문에 확률을 정밀하게 제어하거나 안정적인 상태를 유지하기 어려웠다. 유 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 빛과 전압의 역할을 분리한 ‘광 유도 바이어스 조절 확률비트’ 소자를 고안했다. 소자 내부에 들어온 빛의 파장과 세기에 따라 서로 다른 방향의 광전류가 발생하도록 설계해 무작위 신호는 빛으로 만들고 확률 분포는 전압으로 조절하도록 설계했다. 이 소자는 서브 밀리볼트 수준의 낮은 전압에서도 출력 확률을 0%부터 100%까지 연속적으로 조절하는 성능을 보였다.
특히 전압을 걸어도 무작위 신호 특성이 안정적으로 유지돼 확률컴퓨팅 시스템의 신뢰성을 높였다. 연구팀은 실험 데이터를 바탕으로 실제 연산 능력도 검증했다. 정수 인수분해 연산을 수행했고 복잡한 네트워크 구조에서 최적 해를 찾는 ‘맥스컷’ 문제에서도 적용 가능성을 확인했다. 유호천 교수는 “이번 연구는 빛을 단순한 정보 전달 수단이 아니라 계산에 필요한 핵심 자원으로 활용해 저전력 확률컴퓨팅의 기반을 마련한 사례”라며 “향후 인공지능 추론, 차세대 반도체 설계, 엣지 컴퓨팅 등 다양한 첨단 산업 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원의 정보통신방송혁신인재양성 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ‘Science Advances’에 5월 15일 게재됐다. 해당 논문 ‘Sub-mV tunable photonic p-bits for probabilistic computing’에는 한양대 서주형 박사, 박태현 박사와 서울대 박준영 연구원이 제1저자로 참여했다. 한양대 유호천 교수와 서울대 한준규 교수가 교신저자를 맡았다. 김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr
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