특허 개요
본 특허는 실리콘 소자를 배열로 연결해 기억과 신경망 연산을 함께 수행하는 이진화 신경망 회로입니다. 각 실리콘 게이티드 다이오드는 애노드·캐소드 사이 채널의 포텐셜 장벽을 게이트 전압으로 조절하고, 양성 피드백 루프(positive feedback loop)로 전하를 축적해 두 개의 메모리 상태를 형성합니다. 이 소자를 병렬 메모리 어레이의 시냅스로 연결하면 입력 라인·가중치 라인·출력 라인에서 이진 가중치 곱셈과 전류 합산 기반 MAC 연산을 수행합니다.
- 핵심 기능
가중치 업데이트 신호로 각 실리콘 게이티드 다이오드의 메모리 상태를 설정하고, 입력 라인에 인가된 전압에 따라 가중치 상태별 출력 전류를 생성합니다. 공통 출력 라인에서는 복수 소자의 전류를 합산해 벡터-행렬 곱을 포함한 MAC 연산을 수행하며, 가중치 1 상태의 ReLU 유사 전류 특성을 활성화 기능에 활용합니다.
- 차별 강점
기존 폰 노이만 구조는 프로세서와 메모리 사이의 데이터 이동으로 병목과 에너지 소모가 발생하며, 일부 신경망 회로는 별도 활성화 회로를 필요로 합니다. 본 특허는 실리콘 게이티드 다이오드 하나에 메모리·스위칭·ReLU 유사 활성화 특성을 결합하고, 이진 시냅스 어레이에서 연산하도록 구성한 점에서 차별성이 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 로직 인 메모리, 뉴로모픽 AI 하드웨어, 이진화 신경망, 벡터-행렬 곱 연산 가속기 분야에 활용 가능하며, 실리콘 기반 시냅스 소자와 어레이 회로 설계 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 저전력 엣지 AI 반도체, 인메모리 컴퓨팅 칩, AI 추론 가속기 및 팹리스 회로 IP 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
실리콘 게이티드 다이오드 단일 소자의 래치업·메모리 상태와 이진 가중치 곱 연산을 전기적으로 확인하고, 4×1 및 2×2 어레이에서 출력 전류 합산과 벡터-행렬 MAC 동작을 제시했습니다. 대규모 어레이의 수율·소자 편차·재현성, CMOS 집적 공정, 장기 신뢰성, 실제 AI 작업 정확도는 확인되지 않았습니다.
- 검증 소자: 실리콘 게이티드 다이오드 단일 소자 및 4×1·2×2 메모리 어레이
- 비교 조건: 가중치 1 상승 상태와 가중치 0 하강 상태, 입력 조합별 출력 전류
- 구동 조건: 가중치 업데이트 VIN=2V 또는 -2.0V·VW=0V, 대기·곱셈 VW=1V, 연속 입력 VIN=1.1～2.0V
현재 성과
게이트 전압 VW=1V 조건에서 애노드 전압 증가 시 약 2.5V에서 캐소드 전류가 급격히 증가하고, 전압 감소 시 약 1V에서 양성 피드백 상태가 해제되는 특성이 제시됐습니다. 상태 1과 상태 0의 전류 크기 비율을 이용해 이진 시냅스 가중치 상태를 구분합니다.
단일 소자에서 가중치 1 상태는 입력 전압에 비례하는 출력 전류를, 가중치 0 상태는 매우 낮은 출력 전류를 보이는 곱 연산을 확인했습니다. 4×1 어레이의 전류 합산과 2×2 어레이의 입력 조합별 벡터-행렬 MAC 동작도 전기적 조건에서 검증했습니다.
비휘발성 메모리 기반 로직 인 메모리는 비실리콘 물질, 공정 복잡성, 소자 균일성 및 안정성 문제가 제기돼 왔습니다. 본 특허는 양성 피드백 래치업과 게이트 전압 임계값 제어를 이용해 실리콘 게이티드 다이오드 어레이에서 이진 가중치 MAC과 ReLU 유사 자기 활성화를 수행하도록 구성했습니다.
상용화까지 남은 부분
대규모 어레이에서의 수율, 소자 특성 편차 및 동작 재현성 검증
CMOS 집적 공정 적용 시 어레이 형성, 배선 및 회로 인터페이스 검증
장기 신뢰성, 전력 소모, 동작 속도 및 실제 AI 작업 정확도 실증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
실리콘 게이티드 다이오드를 이용한 이진화 신경망 회로
10-2023-0114457 (2023.08.30)
1020250032103 (2025.03.07)
1029268080000 (2026.02.09)
김상식, 조경아, 신연우
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단