드론의 자세제어 저전력 두뇌모사 반도체로 구현

- 아날로그-디지털 하이브리드 회로를 통한 센서 데이터의 신개념 연산방법 개발

다수의 센서에서 동시에 얻어지는 복잡한 데이터를 적은 전력 소모만으로 처리할 방법의 실마리를 인간 두뇌 신경망1)에서 찾았다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 김성호 세종대학교 교수 연구팀이 인간 두뇌의 신경망을 모사한 ‘아날로그-디지털 하이브리드 연산회로’를 이용하여, 저전력으로 드론의 자세를 정교하게 제어하는 기술을 개발했다고 5월 24일 밝혔다.
  기존의 드론은 디지털프로세서2)를 이용하여 센서로부터 얻어지는 정보를 연산하고, 이를 기반으로 드론의 자세를 제어한다. 또 드론이 더욱 복잡한 임무를 수행하기 위해서는 고성능의 디지털프로세서가 필요한데, 제한된 배터리 용량 때문에 비행시간이 짧아지는 문제가 있다. 따라서 드론과 같은 소형, 모바일 전자시스템에서는 저전력으로 데이터를 처리하는 기술이 매우 중요하다.
  이에 연구팀은 인간 두뇌의 신경망에서 이루어지는 아날로그 방식의 연산과정을 모사한 아날로그-디지털 하이브리드 회로를 구현하였다. 아날로그적으로 동작하는 신경세포모방 소자와 기존 실리콘 반도체 기반 디지털집적회로를 융합한 하이브리드 회로는 기존과 동일한 연산 정확도를 가지면서 에너지소모 측면에서는 유리한 장점을 나타냈다. 기존 디지털프로세서 대비 1/4의 전력소모만으로 동일한 성능의 드론 자세제어가 가능하여 센서 데이터를 저전력으로 처리할 수 있음을 실험적으로 검증했다.
  김성호 교수는 “개발된 기술은 센서가 탑재되는 IoT/모바일 기기, 드론, 자율주행차 등에서 범용적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 전하며, “특히, 에너지 효율적인 하이브리드 연산방식은 소형 전자시스템에 보다 높은 차원의 인공지능 탑재 가능성을 열어줄 실마리가 될 것”이라고 말했다.
  향후 연구팀은 드론의 자세제어뿐만 아니라 경로 탐색, 장애물 회피, 자율비행 등 복잡한 기능 구현에 하이브리드 연산회로를 적용하여, 저전력으로도 장시간 임무 수행이 가능한 지능형 드론 개발 연구 등을 지속할 계획이다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 5월 19일 온라인 게재됐다.

<그림1> 아날로그-디지털 하이브리드 연산회로가 탑재된 드론
황화주석(SnS2) 기반의 신경세포모방소자와 기존 실리콘 기반 디지털집적회로가 융합된 하이브리드회로를 제작하였다. 이 하이브리드회로는 각속도센서와 가속도센서로부터 측정된 센서 데이터를 입력받아 센서퓨전 알고리즘을 계산하고, 이를 통해 드론의 정확한 자세를 측정한다. (그림제공 : 세종대학교 김성호 교수)

<그림2> 신경세포모방소자의 성능과 신경망을 모사한 아날로그 연산방식의 성능
(a) 황화주석(SnS2) 기반의 신경세포모방 소자 (b) 신경세포모방소자의 정교한 아날로그적 상태조절 성능 (c) 신경망을 모사한 아날로그 연산방식 및 이를 수행할 신경세포모방소자 기반 아날로그 회로 (d) 센서퓨전 수행 결과 비교 기존 디지털프로세서와 동일한 성능의 결과를 하이브리드회로를 통해 저전력으로 얻을 수 있음을 증명함. (그림제공 : 세종대학교 김성호 교수)

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