초당 11조회 ‘광학 뉴로모픽 칩’ 개발

세계에서 가장 빠른 광학 뉴로모픽 프로세서, Credit: Swinburne University of Technology

인공지능(AI) 데이터양이 기하급수적으로 늘고 있는 가운데 전자 기반 하드웨어는 데이터 처리에 있어 병목현상을 보이고 있다. 

최근 호주 스윈번 공과대학(Swinburne University of Technology)이 이끄는 국제 연구팀이 초당 11조회(TeraOPs/s) 이상 초고속 처리가 가능한 세계에서 가장 빠르고 강력한 인공지능(AI) 광학 뉴로모픽 프로세서를 개발했다. 이는 현재 신경망 처리 하드웨어에 있어 엄청난 도약이다.

연구 결과(논문명: 11 TOPS photonic convolutional accelerator for optical neural networks)는 국제 학술지 네이처(Nature)에 1월 6일(현지시각) 실렸다. 

11 TOPS photonic convolutional accelerator for optical neural networks, Nature

뇌 시각피질 시스템의 생물학적 구조에서 영감을 받은 인공신경망은 인공지능 핵심으로 컴퓨터 비전, 자연어 처리, 안면 인식, 음성 번역, 전략 게임, 의료 진단 등 다양한 분야에 광범위하게 적용하고 있다.  

스윈번대학, RMIT대학, 모나시대학, 옥스퍼드대학, 뮌스터대학, 로잔공대 등 국제 연구팀은 이번 연구 결과로 전자 시대에서 ‘광자’ 하드웨어 시대로 서막을 열었다.

이전 프로세서보다 1,000배 이상 빠르게 작동 하는 광학 뉴로모픽 프로세서를 시연했다. 초당 25만 픽셀 이미지를 생성할 수 있었다. 이는 얼굴 이미지를 인식하는데 충분한 데이터양으로 기존 광자 기반 데이터 프로세서들이 실패했던 안면인식이 가능하다. 

이번 혁신 돌파구는 지난 5월 호주 연구팀이 발표한 초당 44.2 테라비트(Tbps) 인터넷 최고 속도 기록을 세운 ‘광학 마이크로콤’(optical microcombs)이라는 공진기다.(논문명: Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source, Nature Communications) 

마이크로콤은 금속으로 만든 주파수 빗(Frequency Comb)을 병렬로 연결해 공진기로 빗살을 진동해 광자를 만들어 레이저 광원처럼 정보를 전송할 수 있다. 주파수 빗은 스위스 로잔공과대가 개발했다.

속도 면에서는 구글 TPU가 초당 100조회(100 TeraOPs/s) 이상이다. 하지만 이는 수만 개의 병렬 프로세서로 수행된다. 반면 연구팀이 개발한 광학 시스템은 단일 프로세서를 사용한다. 이는 다른 어떤 광원보다 빠르고, 작고, 가볍고, 저렴하다.

이 프로세서는 모든 신경모방 하드웨어에서 범용 초고대역폭 프론트 엔드 역할을 할 수 있다. 이는 마이크로콤의 혁신적인 사용을 통해 프로세서 성능을 얼마나 극적으로 확장할 수 있는지를 보여준다. 장기적으로는 칩에 완전히 통합된 시스템을 구현해 비용과 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다. 

딥 러닝에서 심층 신경망으로 분류되는 합성곱 신경망(Convolutional neural network, CNN)은 인공지능 혁명 중심이었지만 기존 실리콘 기술은 처리 속도와 에너지 효율에 점점 더 병목 현상을 보이고 있다.

이번 획기적인 광학 기술은 한 분야에서 아이디어를 가져와 이를 활용하는 데 있어 학제 간 통섭이 얼마나 중요한지 알 수 있다. 

김들풀 기자 itnews@