Special 인공지능 컴퓨팅을 위한 소재 및 소자기술 개발 동향(1)

뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 희토류 기반 형광체의 발광 시냅스 거동

위상원_숭실대학교 기초과학융합연구소 연구교수 

이윤상_숭실대학교 물리학과 교수/기초과학융합연구소장

1.    서론: 인공지능의 폭발적 성장

바야흐로 인공지능(AI)의 시대다. 최근 AI 기술의 발전은 단순한 기술 산업의 범주를 넘어 콘텐츠 창작, 의료 진단, 자율 주행, 금융 분석 등 우리 삶의 전 영역에 걸쳐 파괴적인 혁신을 일으키고 있다. 이는 과거 증기기관이 가져온 1차 산업혁명이나 인터넷이 불러온 정보혁명에 비견될 만큼 거대한 흐름이며, 그 변화의 속도는 과거와 비교할 수 없을 만큼 가파르다.

그림 1. 출시 후 월간 사용자수 1억명 달성 시간 (Paul, K. ChatGPT sets record for fastest-growing user base - analyst note. Reuters, Feb 1, 2023.)

대중과 시장의 반응은 뜨겁다 못해 폭발적이다. 그 신호탄을 쏘아 올린 '챗GPT(ChatGPT)'는 출시 후 월간 활성 사용자 수(MAU) 1억 명을 달성하기까지 불과 2개월밖에 걸리지 않았다[1]. 틱톡(9개월)이나 인스타그램(2년 6개월)이 세웠던 기록을 아득히 뛰어넘는 수치다. 이러한 흐름은 하드웨어 시장의 지각 변동으로 이어졌다. AI 연산의 핵심 두뇌인 GPU를 독점하다시피 공급하는 엔비디아(NVIDIA)는 전 세계 시가총액 1위 기업으로 등극하며, 단일 기업이 국가 예산을 상회하는 4조 달러 클럽 입성을 목전에 두고 있다.

그림 2. CEO 회동 상상도

이러한 글로벌 AI 열풍 속에서 대한민국 역시 중요한 변곡점을 맞이하고 있다. 최근 업계의 이목을 집중시킨 흥미로운 장면이 있었다. 바로 엔비디아의 CEO 젠슨 황, 삼성전자의 이재용 회장, 그리고 현대차그룹의 정의선 회장이 한자리에 모인 이른바 ‘AI 깐부 회동’이다. 이 만남은 단순한 친목을 넘어 상징적인 의미를 갖는다. AI 연산(엔비디아), 이를 뒷받침할 초고속 메모리 반도체(삼성전자), 그리고 AI가 적용될 모빌리티와 로보틱스(현대차)라는 거대한 생태계가 융합되고 있음을 보여준다. 한국은 이미 메모리 반도체 강국으로서 AI 시대의 필수 파트너로 자리 잡았으며, 이제는 단순한 부품 공급을 넘어 독자적인 AI 생태계를 구축하려는 움직임을 보이고 있다.

하지만 이러한 장밋빛 전망 이면에는 반드시 해결해야 할 물리적 난관이 존재한다. 거대언어모델(LLM)과 같은 초거대 AI를 운용하기 위해서는 천문학적인 양의 전력이 소모된다. 데이터 센터 하나가 웬만한 도시 하나의 전력을 사용하는 상황에서, 기존의 컴퓨팅 방식으로는 효율성의 한계에 봉착할 수밖에 없다. 따라서 전 세계 연구자들은 소프트웨어의 발전을 넘어, 인간의 뇌처럼 적은 에너지로 고효율 연산을 수행할 수 있는 새로운 하드웨어, 즉 '뉴로모픽(Neuromorphic) 시스템'에 주목하고 있다.

이 시스템의 핵심은 인간의 뇌 구조를 모방한 '인공 신경망(Artificial Neural Networks, ANN)'을 정보를 전달하고 기억하는 물리적 '인공 시냅스(Artificial Synapse)' 소자로 구성하는데 있다.  우리는 이 글을 통해 차세대 컴퓨팅의 핵심인 인공 신경망과 이를 구현하기 위한 노력, 그리고 세라믹 소재인 희토류 형광체를 이용한 혁신적인 광(光) 시냅스 소자에 대해 이야기해 보고자 한다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>