우주 환경에서 뉴로모픽 칩의 방사선 내성 설계 연구

1. 우주 방사선 환경이 뉴로모픽 칩에 미치는 영향

우주 공간은 지구와 달리 고에너지 입자들이 밀집된 방사선 환경을 갖고 있으며, 전자기기에는 치명적인 영향을 미친다. 특히 뉴로모픽 칩처럼 미세 공정 기술을 기반으로 한 고집적 반도체 소자는 방사선에 매우 민감하게 반응할 수 있다. 일반적으로 우주에서 전자 시스템이 노출되는 주요 방사선 형태는 고에너지 양성자, 중성자, 전자, 감마선, 그리고 태양풍에 의한 대전입자들이다. 이들은 칩 내부의 트랜지스터 소자에 전하를 축적시키거나, 간헐적인 전류 누설을 발생시켜 시스템 오작동을 유발할 수 있다. 뉴로모픽 칩의 경우 연속적인 스파이킹 신호 흐름이 기본 동작 구조인데, 방사선으로 인한 신호 왜곡이나 전하 간섭은 정상적인 스파이크 전달을 방해하고, 오류 누적이나 신경망 단위의 기능 마비를 일으킬 가능성이 존재한다. 이러한 특성은 뉴로모픽 칩이 우주 환경에 직접 투입되기 위해 반드시 방사선 내성 설계를 필요로 한다는 점을 보여준다. 특히 자가 학습 기능을 포함한 뉴로모픽 시스템에서는 방사선으로 인해 학습된 가중치가 왜곡되는 경우, 시스템 전체의 판단 오류로 이어질 수 있다.

 

 

 

2. 내방사선 설계 기법: 하드웨어 구조 수준의 보호 전략

뉴로모픽 칩의 방사선 내성 강화를 위해 가장 기본적인 접근 방식은 소자 단위의 하드웨어 설계 최적화다. 기존의 상용 CMOS 기반 회로는 방사선에 민감한 편이지만, SOI(Silicon on Insulator) 기반 공정이나, 트랜지스터 채널에 절연층을 추가하는 방식은 방사선 유도 전하의 영향을 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 Triple Modular Redundancy(TMR) 기법처럼 주요 연산 유닛을 세 개로 복제하고, 다수결 투표 방식으로 오류를 보정하는 회로 구조도 뉴로모픽 칩에 적절히 적용 가능하다. 뉴로모픽 특성상 연산 유닛의 개수가 매우 많기 때문에 이러한 복제 방식이 물리적 비용을 증가시키긴 하나, 우주 환경에서의 안정성을 고려할 때 타협 가능한 기술이다. 또 다른 접근은 비휘발성 메모리 소자 중 방사선에 상대적으로 강한 ReRAM이나 MRAM 등을 활용하는 것이다. 이러한 메모리 소자는 내부 저장 구조가 자기장이나 저항값 변화 기반이기 때문에, 전하 기반의 오류 발생 가능성이 낮다. 실제로 NASA와 일부 반도체 연구소에서는 이러한 내방사선 소자를 조합한 뉴로모픽 프로세서 설계를 실험 중이며, 일부 프로토타입은 궤도 위성 실험에서도 긍정적인 결과를 보이고 있다. 이처럼 회로 설계에서부터 재료 선택까지 전방위적인 보호 전략이 뉴로모픽 칩의 우주 적용을 가능하게 한다.

 

3. 시뮬레이션 기반 검증과 우주 환경 실증의 필요성

방사선 내성 설계를 완료한 뉴로모픽 칩이라 하더라도, 실제 우주 환경에서는 다층적인 복합 변수가 존재하기 때문에 시뮬레이션과 실증 실험을 병행해야 한다. 현재까지의 연구에서는 지상 기반 방사선 가속기를 통해 고에너지 입자를 인위적으로 생성하여 칩에 조사하고, 오류율을 측정하는 방식이 활용되고 있다. 그러나 이런 인공 환경은 태양풍의 복잡한 입자 흐름이나, 궤도 위치에 따른 방사선 강도 변화 등을 완벽하게 재현하기 어렵다. 따라서 일부 연구기관은 저궤도 위성에 뉴로모픽 칩을 탑재하여 실제 우주 환경에서 장기 운용 테스트를 수행하고 있다. 예를 들어 유럽우주국(ESA)과 협력한 일부 프로젝트에서는 뉴로모픽 프로세서가 탑재된 나노위성을 발사하여, 데이터 저장 오류, 연산 오류, 학습 패턴 안정성 등을 수개월 단위로 모니터링하고 있다. 이러한 실증 데이터는 지상 시험과 이론적 시뮬레이션의 한계를 보완하며, 향후 우주 탐사 로봇, 자율 위성 항법 시스템 등에 뉴로모픽 기술을 신뢰성 있게 적용하는 데 핵심 자료가 된다. 앞으로는 AI 위성 시스템을 구성할 때 뉴로모픽 칩이 중심이 되는 시대가 올 가능성이 높으며, 이를 위한 방사선 내성 기술 확보는 우주 컴퓨팅의 핵심 과제로 남게 될 것이다.