뇌에서 영감을 얻은 나노기술, 전자공학의 새로운 시대를 예고하다
휴대전화, 컴퓨터, 심지어 아주 작은 웨어러블 기기조차도 인간의 뇌처럼 생각하고 학습할 수 있는 미래를 상상해보세요. 정보를 더 빠르고 똑똑하게 처리하고 에너지도 덜 소모할 수 있는 미래를 상상해보세요.
플린더스 대학과 UNSW 시드니에서 개발된 획기적인 접근법은 단일 나노스케일 강유전체 도메인 벽을 전기적으로 '비틀어' 이 비전을 현실에 한 걸음 더 가깝게 구현합니다.
도메인 벽은 거의 눈에 보이지 않는, 극히 작은(1~10nm) 경계로, 자연적으로 발생하거나 심지어 강유전체라고 불리는 특수 절연 결정 내부에 주입되거나 지워질 수도 있습니다.
이들 결정 내부의 도메인 벽은 서로 다른 결합 전하 방향을 갖는 영역을 분리합니다.
플린더스 대학교 물리학과 수석 강사이자 미국화학회(ACS)에 새로 실린 논문의 주저자이자 교신 저자인 판카즈 샤르마 박사는 "더 중요한 것은 이러한 작은 경계가 절연 결정에 박혀 있음에도 불구하고 전자 흐름을 조절하는 채널 역할을 하여 인간의 뇌처럼 정보를 저장하고 처리할 수 있다"고 말했습니다.
이게 왜 중요할까요? 연구원들은 인간의 뇌를 모방한 기기는 기존 디지털 컴퓨터에 비해 훨씬 적은 에너지를 사용하면서도 방대한 양의 정보를 더 빠르게 처리할 수 있다고 말합니다. 특히 이미지 및 음성 인식과 같은 작업에서 그렇습니다.
샤르마 박사는 "이 새로운 디자인을 통해 결정질 강유전체 소재의 강유전체 도메인 벽은 새로운 세대의 적응형 메모리 소자에 동력을 공급하고, 더 빠르고 친환경적이며 스마트한 전자 장치에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 해줄 것입니다."라고 말했습니다.
"저희의 결과는 통합 강유전체 소자를 기반으로 하는 뇌에서 영감을 받은 신경형 및 메모리 내 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 강유전체 도메인 벽의 약속을 재확인합니다."
"저희 연구에서는 단일 강유전체 도메인 벽을 제어 가능하게 주입하고 설계하여 멤리스터 동작을 모방했습니다. 전기장을 적용하여 이 단일 벽의 모양과 위치를 조심스럽게 조작하여 구부러지고 휘게 합니다."
"이러한 제어된 움직임은 벽의 전자적 속성의 변화를 초래하여 다양한 수준에서 데이터를 저장하고 처리하는 능력을 잠금 해제합니다."
새로운 연구에서는 두 개의 말단 소자에 걸쳐 있는 강유전체 도메인 벽(아래 이미지 참조)이 "멤리스터"로 기능할 수 있는 방식을 보여줍니다. 멤리스터는 다양한 수준의 정보를 저장하고 전기적 활동의 이력을 기억할 수 있는 소자로, 인간 뇌의 시냅스와 유사합니다.
공동 저자인 UNSW 교수인 얀 자이델은 "핵심은 벽 표면 고정(고정된 위치)과 재료 내부에서 더 깊이 휘거나 휘는 자유도 사이의 상호 작용에 있습니다."라고 말했습니다.
"이러한 제어된 꼬임은 전자 상태의 스펙트럼을 생성하여 다중 레벨 데이터 저장을 가능하게 하고 반복적인 벽 주입이나 지우기의 필요성을 없애 장치를 더 안정적이고 신뢰할 수 있게 만듭니다."라고 그는 말합니다.
이 연구에서는 고급 현미경과 이론적 위상장 모델링을 사용하여 도메인 벽에서 뒤틀림으로 인한 전자 전이의 물리학을 밝힙니다.
공동 저자 UNSW 교수인 Valanoor Nagarajan은 "이 새로운 고도로 재현 가능하고 에너지 효율적인 도메인 벽 장치는 인공 지능과 데이터 처리를 재편할 것을 약속하는 뇌에서 영감을 받은 시스템인 신경형 컴퓨팅에 혁명을 일으킬 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250109130028.htm
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