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[놀라운 기술: 뇌에서 영감을 받은 소재가 컴퓨팅을 혁신하다.] 뇌의 축삭에서 영감을 얻은 연구자들은 전기 신호를 효과적으로 전파할 수 있는 소재를 설계하여 효율성을 높이고 에너지 소비를 줄임으로써 미래의 컴퓨팅 기술을 혁신할 가능성이 있다.

https://scitechdaily.com/mind-blowing-tech-brain-inspired-materials-revolutionize-computing/

운영자 | 기사입력 2024/09/30 [00:00]

[놀라운 기술: 뇌에서 영감을 받은 소재가 컴퓨팅을 혁신하다.] 뇌의 축삭에서 영감을 얻은 연구자들은 전기 신호를 효과적으로 전파할 수 있는 소재를 설계하여 효율성을 높이고 에너지 소비를 줄임으로써 미래의 컴퓨팅 기술을 혁신할 가능성이 있다.

https://scitechdaily.com/mind-blowing-tech-brain-inspired-materials-revolutionize-computing/

운영자 | 입력 : 2024/09/30 [00:00]

 

놀라운 기술뇌에서 영감을 받은 소재가 컴퓨팅을 혁신하다.

 

자연에서 영감을 얻은 연구자들은 전송선을 따라 이동하는 전기 펄스를 자발적으로 강화하여 축삭처럼 작동하는 재료 종류를 발견했다.

이 새로운 재료는 전기 신호를 저하 없이 전파하여 축삭을 모방하여 신호 전송에 필요한 에너지를 줄이고 데이터 센터의 에너지 소비를 획기적으로 줄여 컴퓨팅 아키텍처에 혁명을 일으킬 수 있다.

 

뇌에서 영감을 받은 컴퓨팅 재료

텍사스 A&M 대학교샌디아 국립 연구소-리버모어스탠포드 대학교의 과학자 팀은 뇌에서 교훈을 얻어 보다 효율적인 컴퓨팅을 위한 재료를 설계하고 있다발견된 새로운 종류의 재료는 이런 종류의 재료 중 처음이다전송선을 따라 이동하는 전기 신호를 자발적으로 전파하여 축삭의 동작을 모방한다이러한 발견은 컴퓨팅과 인공지능의 미래에 중요할 수 있다.

이 연구는 9 11일 저널 네이쳐에 게재되었다.

 

전기 신호 전파의 과제

금속 도체에서 전파되는 모든 전기 신호는 금속의 자연적 저항으로 인해 진폭을 잃는다최신 컴퓨터 처리(CPU) 및 그래픽 처리 장치에는 칩 내부에서 전기 신호를 움직이는 약 30마일 길이의 미세 구리선이 포함될 수 있다이러한 손실은 빠르게 누적되어 펄스 무결성을 유지하기 위해 증폭기가 필요하다이러한 설계 제약은 현재 상호 연결 밀도가 높은 칩의 성능에 영향을 미친다.

 

이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 축삭에서 영감을 얻었다축삭은 척추동물의 신경 세포 또는 뉴런의 일부로신경 세포체에서 멀리 떨어진 곳으로 전기적 자극을 전달할 수 있다.

 

"종종 우리는 한 장소에서 다른 장소로 데이터 신호를 전송하고 싶어한다."라고 샌디아 국립 연구소(Sandia National Lab)의 박사후 연구원이자 Texas A&M의 재료 과학 및 공학 박사 과정생이었던 수석 저자인 팀 브라운(Tim Brown) 박사가 말했다. "예를 들어, CPU 칩의 가장자리에서 중앙 근처의 트랜지스터로 전기 펄스를 전송해야 할 수도 있다.

 

가장 전도성이 좋은 금속의 경우에도 실온에서의 저항은 전송된 신호를 지속적으로 소산시키므로 일반적으로 전송선을 절단하여 신호를 증폭하는데여기에는 에너지시간 및 공간이 필요하다생물학은 다르게 작동한다뇌의 일부 신호는 센티미터 거리를 가로질러 전송되지만훨씬 더 저항성이 강한 유기 물질로 만들어진 축삭을 통해 신호를 중단하거나 증폭하지 않는다.”

 

"생물학은 다르게 일을 한다뇌의 일부 신호는 센티미터 거리를 가로질러 전송되지만훨씬 더 저항성이 강한 유기 물질로 만들어진 축삭을 통해 신호를 중단하거나 증폭시키지 않는다."-팀 브라운 박사

 

신소재에서의 축삭에서 영감을 받은 증폭

텍사스 A&M 대학 재료 과학 및 공학과의 준교수인 패트릭 샴버거 박사에 따르면 축삭은 통신 고속도로이다축삭은 한 뉴런에서 이웃 뉴런으로 신호를 전달한다뉴런이 신호 처리를 담당하는 반면축삭은 한 뉴런에서 이웃 뉴런으로 신호를 전달하는 광섬유 케이블과 같다.

 

축삭 모델과 마찬가지로 이 연구에서 발견된 소재는 프라이밍된 상태로 존재하여 축삭을 통과할 때 전압 펄스를 자발적으로 증폭할 수 있다연구원들은 산화란탄코발트의 전자적 상 전이를 이용하여 가열될 때 전기 전도성이 훨씬 더 높아진다이 속성은 신호가 소재를 통과할 때 생성되는 소량의 열과 상호 작용하여 양의 피드백 루프를 생성한다.

 

그 결과 저항기커패시터인덕터와 같은 일반적인 수동 전기 부품에서 관찰되지 않는 이국적인 동작 세트가 생성되었다여기에는 작은 섭동 증폭음의 전기 저항교류 신호의 비정상적으로 큰 위상 변화가 포함된다.

 

샴버거에 따르면 이러한 재료는 준안정 '골디락스 상태'로 존재하기 때문에 독특하다전기 펄스는 붕괴되지 않고 열 폭주를 나타내지 않으며 분해되지 않는다대신 재료는 일정한 전류 조건에서 유지되면 자연스럽게 진동한다연구원들은 이러한 동작을 활용하여 스파이크 동작을 생성하고 전송선을 따라 이동하는 신호를 증폭할 수 있다고 결정했다.

 

"우리는 본질적으로 재료의 내부 불안정성을 활용하여 전송선을 따라 전자 펄스를 계속 강화한다이러한 동작은 공동 저자인 스탠 윌리엄스 박사가 이론적으로 예측했지만 이것이 그 존재를 확인한 첫 번째 사례이다."

 

미래의 의미와 연구 지원

이러한 결과는 에너지 사용에 대한 수요를 증가시키고 있는 컴퓨팅의 미래에 중요할 수 있다데이터 센터는 2030년까지 미국 전력의 8%를 사용할 것으로 예상되며인공지능은 이러한 수요를 극적으로 증가시킬 수 있다장기적으로는 동적 재료를 이해하고 생물학적 영감을 사용하여 보다 효율적인 컴퓨팅을 촉진하기 위한 한 걸음이다.

 

"우리는 본질적으로 재료의 내부 불안정성을 활용하여 전송선을 따라 전자 펄스를 계속 강화한다."-패트릭 샴버거 박사

 

이 연구는 에너지부의 비선형 뉴런 역학에서 영감을 받은 재구성 가능 전자 재료(REMIND) 에너지 프런티어 연구 센터(EFRC)를 통해 지원된다.

 

"나는 12년 전에 처음으로 혼돈의 가장자리 활성 전송선에 대한 아이디어를 떠올렸다."고 연구의 공동 저자이자 REMIND의 책임자이며 텍사스 A&M 대학 전기 및 컴퓨터 공학과 교수인 스탠 윌리엄스 박사가 말했다. "이를 실험적 현실로 만들려면 REMIND의 리소스전문성 및 팀워크가 필요했다."

 

2022년에 설립된 REMIND EFRC는 에너지 효율성과 속도의 기본 한계에 접근하는 대량 재구성 가능 컴퓨팅 아키텍처의 기능을 뒷받침하는 기초 과학적 지식을 개발하여 인간 뇌의 특정 뉴런 및 시냅스 기능을 모방한 실시간 학습 및 임베디드 인텔리전스를 구현하고자 한다.

 

"에너지부 EFRC 프로그램은 본질적으로 독특하며 REMIND가 울타리를 넘고 현대 컴퓨팅의 엄청난 과제 중 일부를 해결할 수 있도록 했다."라고 REMIND EFRC의 부소장이자 아티 맥페린(Artie Mcferrin) 화학공학과 및 재료과학 및 공학과 교수인 사르바짓 바네르지(Sarbajit Banerjee) 박사가 말했다. "이 연구는 협력 연구의 힘과 Texas A&M의 독특한 국가 연구소 파트너십을 보여준다."

 

 

 

 

 
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