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유회준 교수, ISSCC 반도체 설계 최고 권위자로 선정
국제고체회로학회(International Solid-State Circuits Conference, 이하 ISSCC)는 세계 반도체올림픽이라고 불리며 70주년 기념식을 올해 2월 20일 미국 샌프란시스코 메리어트 호텔에서 개최했다.
우리 대학 전기및전자공학부 유회준 교수가 63편의 논문을 발표한 실적으로 동양인으로서 유일하게 톱5에 들어 최다 논문 발표자로 선정되었다고 1일 밝혔다.
유 교수는 ISSCC의 설립 41년이 지난 1995년에 현대전자(現 SK하이닉스)에서 세계 최초로 256M SDRAM을 개발한 뒤 이를 동 학회에서 한국 최초 논문을 발표한 바 있다. 이후 유 교수 연구팀은 KAIST로 옮겨 2000년부터 2023년까지 62편의 논문을 발표하여 동 학회에서 총 63편의 논문을 발표했다.
1996년에 유 교수가 집필한 `DRAM의 설계'라는 책은 삼성전자나 하이닉스 기술자들의 필독서로 활용됐다. 또한, 동 학회에서 DRAM 관련 반도체에 대해 5편, 바이오메디컬용 반도체 및 저전력 무선 통신용 칩에 대해 총 26편, 증강현실(AR)용 웨어러블 반도체에 대해 총 14편 발표했다. 특히 2008년부터 인공지능 반도체를 연구하기 시작해 2014년 세계 최초로 DNN 가속기를 발표하는 등 올해까지 총 18 편의 인공지능(이하 AI) 반도체 관련 연구 결과를 동 학회에서 발표했다. 아울러, 아시아 교수로는 최초로 2019년 AI 반도체에 관련한 ISSCC 기조강연자로 초청되기도 하였다.
올해는 특히 트랜지스터의 발명 75주년이기도 한데 이를 기념하기 위해 국제전기전자공학회 (IEEE) 전자소자학회/고체회로학회 (EDS/SSCS) 에서 10인의 대표강연자를 선정하여 세계 순회 강연을 계획 중에 있으며 이 중 1인으로 유 교수가 선정됐다. 또한 올해는 모든 반도체 제조에 이용되는 모스펫(이하 MOSFET)발명 60주년이기도 한데 MOSFET의 발명자인 강대원 박사를 기리는 강대원 상을 올해 2월 14일에 한국반도체 학술대회에서 수상하기도 했다.
올해 ISSCC 학회에서는 DRAM을 이용한 지능형 반도체(이하 PIM 반도체)인 다이나플라지아(DynaPlasia), 뉴로모픽 반도체인 스파이크 인공신경망(SNN, Spike Neural Network)과 기존의 합성곱 인공신경망(CNN, Convolutional Neural Network)을 결합해 저전력으로 동작하는 상보 심층신경망(C-DNN), 그리고 3차원 영상 제작 및 가속의 혁명을 가져올 NeRF(Neural Radiance Fields) 가속 칩을 세계 최초로 개발해 총 3편의 혁신적인 새로운 연구 방향을 제시하는 논문들을 발표하여 매우 우수하다는 평가를 받았다.
유 교수의 연구 결과에 대해 일본 동경대 전자공학과 학과장인 타케우치 교수는 "항상 새로운 방향을 제시하는 연구를 발표하는 것이 존경스럽다"고 했으며 미국 MIT 공대 학장인 아난싸 찬드라카산 교수는 "끊임없이 좋은 연구 결과를 내는 그 비결을 알고 싶다"며 찬사를 보내고 있다.
유 교수의 연구 결과는 삼성전자에 기술이전 되기도 했고, 특히 5개의 국내 대표 AI 반도체 벤처 창업들이 있다. 이중 `리벨리온'은 최근 챗GPT용 가속 인공지능 칩인 아톰칩(ATOM)을 개발해 KT와 함께 상용화를 하고 있으며 `모빌린트'는 자동차용 인공지능 칩을 개발하여 2023년 CES에서 선보이기도 했다.
유회준 교수는 2022년 6월에 과기정통부의 지원으로 PIM반도체 설계연구센터(AI-PIM)을 KAIST에 설립해 한국의 PIM반도체 연구의 허브로서 한국 메모리 산업, 시스템 반도체 기술의 업그레이드와 미래 도약 발판을 위해 아직도 왕성한 연구 의욕을 불태우고 있다.
2023.03.02
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KAIST, 인공지능 반도체 생태계를 선도하다
인공지능 반도체(이하 AI 반도체)가 국가적인 전략기술로 두드러지면서 KAIST의 관련 성과도 주목받고 있다. 과학기술정보통신부는 지난해 2030년 세계 AI 반도체 시장 20% 점유를 목표로 인공지능 반도체 지원사업에 본격적으로 착수한 바 있다. 올해에는 산학연 논의를 거쳐 5년간 1조 200억 원을 투입하는 `인공지능 반도체 산업 성장 지원대책'으로 지원을 확대했다. 이에 따라 AI 반도체 전문가 양성을 위해 주요 대학들의 행보도 분주해졌다.
KAIST는 반도체와 인공지능 양대 핵심 분야에서 최상급의 교육, 연구 역량을 쌓아 왔다. 반도체 분야에서는 지난 17년 동안 메사추세츠 공과대학(이하 MIT), 스탠퍼드(Stanford)와 같은 세계적인 학교를 제치고 국제반도체회로학회(이하 ISSCC, International Solid State Circuit Conference)에서 대학 중 1위를 지켜 왔다는 점이 돋보인다. ISSCC는 1954년 설립된 반도체 집적회로 설계 분야 세계 최고 권위 학회다. 참가자 중 60% 이상이 삼성, 퀄컴, TSMC, 인텔을 비롯한 산업계 소속일만큼 산업적인 실용성을 중시해서 `반도체 설계 올림픽'이라는 별명도 있다.
KAIST는 ISSCC에서 채택 논문 수 기준 매년 전 세계 대학교 중 1~2위를 유지했다. 최근 17년간 평균 채택 논문 수를 살펴보면 압도적인 선두다. 해당 기간 채택된 KAIST의 논문은 평균 8.4편으로, 경쟁자인 MIT(4.6편)와 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)(3.6편)에 비해 두 배 가까운 성과다. 국내에서는 반도체 설계 분야 부동의 1위인 삼성에 이어 종합 2위 자리를 유지하고 있다. 그럴 뿐만 아니라 ISSCC와 쌍벽을 이루는 집적회로 분야 학술대회인 초고밀도집적회로학회에서도 KAIST는 2022년 전 세계 대학 중 1위를 기록했다.
KAIST의 연구진들이 반도체 산업 핵심 분야 전반에서 신기술을 발표해 연구의 질적인 수준도 높다. 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀은 고성능 저전력을 추구하는 현재 업계의 수요에 대응해 전력 공급 없이도 동작을 유지하는 컴퓨터를 개발했다. 소재 분야에서는 신소재공학과의 박병국 교수 연구팀이 기존의 메모리에 비해 동작 속도가 10배 이상 빠른 `스핀궤도토크 자성메모리' 소자를 개발해서 기존 `폰노이만 구조'의 한계를 극복하는 방안을 제시하기도 했다.
이처럼 현재 반도체 산업의 주요 과제에 솔루션을 제공하는 한편으로 미래의 새로운 반도체 분야를 선점하는 데 필요한 신기술 개발도 활발하다. 암호 및 비선형 연산 분야에서 차세대 컴퓨팅으로 주목받는 양자컴퓨팅 분야에서는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 3차원 집적 기술을 세계 최초로 선보였다. 신경계의 원리를 활용해 인공지능 분야에서 발군의 성능을 보일 것으로 기대되는 뉴로모픽 컴퓨팅에서는 전기및전자공학부 최신현 교수 연구팀이 신경세포를 모사하는 차세대 멤리스터를 개발 중이다.
인공지능 분야에서도 비약적으로 성장했다. 인공지능 분야의 양대 세계 최고 권위 학회인 국제머신러닝학회(ICML)과 인공신경망학회(NeurIPS) 논문 수 기준으로 KAIST는 2020년 세계 6위, 아시아에서는 1위를 기록했다. KAIST의 순위는 2012년부터 꾸준히 우상향 그래프를 그려 8년만에 37위에서 6위로, 무려 31계단이나 도약했다. 2021년에는 인공지능 분야 톱 학회 11개에 발표된 한국 논문 중 약 40%에 달하는 129편이 KAIST에서 나왔다. KAIST의 이러한 활약에 힘입어 2021년 한국은 글로벌 인공지능 톱 학회 등재 논문 수 기준으로 미국, 중국, 영국, 캐나다, 독일에 이어 6위에 올랐다.
내용 면에서도 KAIST의 인공지능 연구는 최전선에 있다. 전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀은 모바일기기에서 인공지능 실시간 학습을 구현해 에지 네트워크의 단점을 보완했다. 인공지능을 구현하려면 데이터 축적관 막대한 양의 연산이 필요한데, 이를 위해 고성능 서버가 방대한 연산을 담당하고 사용자 단말은 데이터 수집과 간단한 연산만 하는 `에지 네트워크'가 사용된다. 유 교수의 연구는 사용자 단말에 학습 능력을 부여함으로써 인공지능의 처리 속도와 성능을 크게 높일 수 있다.
지난 6월에는 전산학부 김민수 교수 연구팀이 초대규모 인공지능 모델 처리에 꼭 필요한 솔루션을 제시했다. 연구팀이 개발한 초대규모 기계학습 시스템은 현재 업계에서 주로 사용되는 구글의 텐서플로우(Tensorflow)나 IBM의 시스템DS 대비 최대 8.8배나 빠른 속도를 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST는 반도체와 인공지능이 결합된 AI 반도체 분야에서도 주목할만한 성과를 내고 있다. 2020년 전기및전자공학부 유민수 교수 연구팀은 세계 최초로 추천시스템에 최적화된 AI 반도체를 개발하는 데 성공했다. 인공지능 추천시스템은 방대한 콘텐츠와 사용자 정보를 다룬다는 특성상 범용 인공지능 시스템으로 운영하면 병목현상으로 성능에 한계가 있다. 유민수 교수팀은 `프로세싱-인-메모리(이하 PIM, Processing-In-Memory)' 기술을 기반으로 기존 시스템 대비 최대 21배 빠른 속도를 낼 수 있는 반도체를 개발했다. PIM은 처리할 데이터를 임시로 저장하기만 하던 `램'에서 연산까지 수행해 효율을 높이는 기술이다. PIM 기술이 본격적으로 상용화되면 메모리 분야에서 강세인 한국 기업의 AI 반도체 시장 경쟁력이 비약적으로 높아질 것으로 기대된다.
KAIST는 그간의 성과에 안주하지 않고 인공지능 및 반도체, 그리고 AI 반도체 분야 초격차를 유지하고자 다각적인 노력을 기울이고 있다. 1990년 국내 최초로 인공지능연구센터를 설립한 데 이어 2019년에는 김재철AI대학원을 개설해 전문인력을 양성 중이다. 2020년에는 인공지능과 반도체 연구를 융합해 ITRC 인공지능반도체시스템 연구센터가 출범했으며, 2021년에는 인공지능을 다양한 분야에 접목하는 `AI+X' 연구를 활성화하고자 김재철AI대학원과 별도로 AI 연구원을 설립했다.
KAIST는 이러한 노력으로 축적된 내적 역량을 바탕으로 네이버 등 기업과 공동연구센터를 설립하는 한편, 화성시와 같은 지자체와 협력해 동시다발적인 전문인력 양성에 나섰다. 지난 2021년에는 삼성전자와 함께 반도체시스템공학과 설립 협약을 체결하고 새로운 반도체 전문인력 교육과정을 준비하고 있다. 새로 설립되는 반도체시스템공학과는 2023년부터 매년 100명 내외의 신입생을 선발하고, 이들이 전문역량을 꽃피울 수 있도록 학생 전원에게 특별장학금을 지급할 예정이다. 또한 산업계와의 긴밀한 협력을 통해 삼성전자 견학과 인턴십, 공동 워크숍을 지원해 현장에 밀착한 교육을 제공할 예정이다.
KAIST는 국내 반도체 분야 박사 인력의 25%, 박사 출신 중견 및 벤처기업 CEO의 20%를 배출하며 한국 반도체 산업 생태계가 성장하는 데 중대한 공헌을 했다. 본격적으로 열린 AI 반도체 경쟁 체제를 앞두고 KAIST가 다시 산업 생태계의 구심점 역할을 할지 귀추가 주목된다.
2022.08.04
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유회준 교수, 아시아 교수 최초 ISSCC 기조연설
우리 대학 전기및전자공학부 유회준 석좌교수가 반도체 올림픽이라 불리는 국제고체회로학회(ISSCC)에서 아시아 교수로서는 최초로 기조연설자로 선정돼 개막 연설을 진행했다.
유 교수는 2월 18일(현지시간) 미국 샌프란시스코 메리어트 호텔에서 열린 제62회 ISSCC에서 세계 각국의 반도체 기술자 3천여 명을 대상으로 ‘지능을 실리콘 상에(Intelligence on Silicon), 부제 : 심층 신경망 가속기부터 뇌 모방 인공지능 시스템 온 칩까지(From Deep-Neural-Network Accelerators to Brain Mimicking AI-SoCs)’ 라는 주제로 인공지능 칩의 현황과 미래에 대한 기조연설을 했다.
유 교수는 실생활에서 인공지능 적용을 가능하게 하는 인공지능 칩 분야에서 세계의 기술을 주도하고 있다는 공을 인정받아 이번 기조연설자로 선정됐다.
유 교수는 학회 개최에 앞서 2월 17일에 열린 전기전자엔지니어협회(IEEE) 국제고체회로학회 운영회의에서 ISSCC의 자매 학회인 아시아고체회로학회(ASSCC)의 차기 학회장으로 선출되기도 했다. 유 교수 연구실의 최성필, 이진묵 박사과정은 2개의 ISSCC 최우수 시연상을 수상하기도 했다.
유 교수는 기조연설을 통해 세계적으로 경쟁이 치열한 인공지능 반도체 칩 연구 중 최첨단을 달리는 우리나라의 새 기술들을 소개하고 세계 기술이 나아가야 할 미래 방향을 제시했다.
먼저 우리 대학에서 연이어 발표하고 있는 가변형 인공지능 컴퓨팅(Reconfigurable AI Computing)을 소개했다. 이 기술은 칩의 구조를 실시간으로 변화하고 연산에 사용되는 데이터 범위를 바꿀 수 있어 한 개의 칩으로 다양한 인공지능 알고리즘을 가속할 수 있다. 이를 통해 여러 상황에서 저전력의 고속처리가 가능하다.
둘째로 그동안 불가능했던 모바일용 인공지능 칩에서의 학습 (Training)이 가능함을 보였다. 기존 인식(Inference)용 가속기는 원격 서버에서 학습을 진행한 후 완료된 모델을 내려받아 칩에서 인식만 수행해 진정한 인공지능을 구현할 수는 없었다.
유 교수는 모바일용 칩에서도 개인정보보호 및 보안 등의 이유로 기기에서의 학습이 필수적이라 예측하며 저전력 및 고속처리가 가능한 학습용 칩을 공개했다. 이를 통해 시시각각으로 변하는 상황을 스스로 감지하고 학습해 최적의 행동을 할 수 있는 로봇이나 자동차 등의 예시를 제시했다.
유회준 교수는 학습용 칩을 통해 로봇 또는 자동차가 마치 반려동물처럼 사용자의 감정을 알아차리고 이에 맞춰 행동하는 ‘휴머니스틱 인텔리전스(Humanistic Intelligence)’라는 새 개념을 주창했고, 이는 미래 인공지능 응용에 핵심적일 요소가 될 것이라 주장했다.
인공지능 칩의 미래는 크게 2가지 방향으로 예측했다. 첫째는 미시적 뇌 신경의 동작을 모방하는 뉴로모픽(Neuromorphic) 칩이며 둘째는 거시적인 뇌인지 기능을 모방한 칩이다.
뉴로모픽 칩은 RRAM, PRAM 및 MRAM과 같은 비휘발성 메모리(Nonvolatile Memory)를 시냅스 및 뉴런으로 구현하는 방식이 주류를 이룰 것으로 주장했다.
거시적 인지 기능 모방 칩은 뇌의 기능을 모방한 연산 블록들이 커넥톰(Connectome)과 같은 형태의 회로로 연결되는 방식으로 발전하리라 예측했다. 특히 시각 인지 모델을 활용한 인공지능 칩 개발 사례들을 제시하며 이러한 접근이 저전력화 및 고속화에 유리함을 주장했다.
유회준 교수는 “뇌의 해부학적 및 기능적 연구의 진보에서 힌트를 얻어 인공지능 알고리즘 및 인공지능 칩의 발전도 계속될 것이다”고 말했다.
한편 기조연설자로 페이스북의 인공지능 총괄과 뉴욕 대학의 교수를 역임하며 인공지능의 개척자로 불리는 얀 러쿤(Yann LeCun)교수도 이번에 개막연설자로 초청돼 인공지능의 알고리즘 발전에 대해 발표했다. 알고리즘 분야에서는 해외 기업들이 강세를 보이지만 인공지능 칩에 대해서는 반도체 기술이 앞선 대한민국의 유회준 교수가 세계 기술발전을 주도하고 있다는 의견이 주를 이루었다.
유 교수는 창립 기념일인 2월 18일에 인공지능 칩 연구 성과에 대한 우수성을 인정받아 KAIST 학술대상을 수상하기도 했다.
2019.02.19
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유회준 교수, 딥러닝용 AI 반도체 개발
우리대학 전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀이 스타트업 '유엑스 팩토리'와 함께 가변 인공신경망 기술을 적용해 딥러닝을 효율적으로 처리하는 AI 반도체를 개발했다. 딥러닝이란 컴퓨터가 마치 사람처럼 스스로 학습할 수 있도록 인공신경망을 기반으로 구축한 '기계 학습' 기술이다.
유 교수 연구팀이 개발한 새로운 칩은 반도체 안에서 인공신경망의 무게 정밀도를 조절함으로써 에너지 효율과 정확도를 조절한다. 1비트부터 16비트까지 소프트웨어로 간편하게 조절하면서 상황에 맞춰 최적화된 동작을 얻어낸다. 하나의 칩이지만 '콘볼루션 신경망'(CNN)과 '재귀 신경망'(RNN)을 동시에 처리할 수 있다. CNN은 이미지를 분류나 탐지하는 데 쓰이며, RNN은 주로 시간의 흐름에 따라 변화하는 영상과 음성 등 데이터 학습에 적합하다. 또 통합 신경망 프로세서(UNPU)를 통해 인식 대상에 따라 에너지효율과 정확도를 다르게 설정하는 것도 가능하다.
모바일에서 AI 기술을 구현하려면 고속 연산을 '저전력'으로 처리해야 한다. 그렇지 않으면 한꺼번에 많은 정보를 처리하면서 발생하는 발열로 인해 배터리 폭발 등의 사고가 일어날 수 있기 때문이다. 연구팀에 따르면 이번 칩은 세계 최고 수준 모바일용 AI 칩 대비 CNN과 RNN 연산 성능이 각각 1.15배, 13.8배이 달한다. 에너지효율도 40% 높은 것으로 나타났다.
스마트폰 카메라를 통해 사람의 얼굴 표정을 인식해 행복, 슬픔, 놀람, 공포, 무표정 등 7가지의 감정을 자동으로 인식하는 감정인식 시스템도 개발됐다. 이 시스템은 감정 상태를 스마트폰 상에 실시간으로 표시한다. 유 교수 연구팀의 이번 연구는 지난 13일 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
유회준 교수는 "기술 상용화에는 1년 정도 더 걸릴 전망"이라며 " 모바일에서 AI를 구현하기 위해 저전력으로 가속하는 반도체를 개발했으며, 향후 물체인식, 감정인식, 동작인식, 자동 번역 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다"고 설명했다.
2018.02.26
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유회준 교수, 인공지능 얼굴인식 시스템 K-EYE 개발
우리 대학 전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 딥러닝 알고리즘을 세계 최소 전력으로 구현하는 인공지능 반도체 칩 CNNP를 개발했다. 그리고 이를 내장한 얼굴인식 시스템 K-Eye 시리즈를 개발했다.
연구팀이 개발한 K-Eye 시리즈는 웨어러블 디바이스와 동글 타입 2가지로 구성된다. 웨어러블 타입인 K-Eye는 블루투스로 스마트폰과 연동 가능하다.
봉경렬 박사과정이 주도하고 ㈜유엑스팩토리(대표 박준영)과 공동으로 개발한 이번 연구는 지난 2월 미국에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 세계 최저전력 CNN칩으로 발표돼 주목을 받았다.
최근 글로벌 IT 기업들이 알파고를 비롯한 인공지능 관련 기술들을 경쟁적으로 발표하고 있다. 그러나 대부분은 소프트웨어 기술이라 속도가 느리고 모바일 환경에서는 구현이 어렵다는 한계가 있다.
따라서 이를 고속 및 저전력으로 구동하기 위해 인공지능 반도체 칩 개발이 필수적이다.
연구팀의 K-Eye 시리즈는 1mW 내외의 적은 전력만으로도 항상 얼굴 인식을 수행하는 상태를 유지하면서 사람의 얼굴을 먼저 알아보고 반응할 수 있다는 특징을 갖는다.
K-Eye의 핵심 기술인 얼웨이즈 온(Always-On) 이미지 센서와 CNNP라는 얼굴 인식 처리 칩이 있었기 때문에 위와 같은 세계 최저전력 기술이 가능했다.
첫 번째 칩인 얼웨이즈 온(Always-On) 이미지 센서는 얼굴이 있는지 없는지 스스로 판단할 수 있어 얼굴 인식이 될 때에만 작동하게 해 대기 전력을 대폭 낮출 수 있다.
얼굴 검출 이미지 센서는 아날로그 프로세싱으로 디지털 프로세싱을 제어해 센서 자체의 출력 소모를 줄였다. 픽셀과 결합된 아날로그 프로세서는 배경 부분과 얼굴 부분을 구분하는 역할을 하고 디지털 프로세서는 선택된 일부 영역에서만 얼굴 검출을 수행하면 돼 효율적인 작업이 가능하다.
두 번째 칩인 CNNP는 딥러닝을 회로, 구조, 알고리즘 전반에 도입하고 재해석을 진행해 최저 수준의 전력을 구현하는 역할을 했다.
특히 CNNP칩은 3가지의 핵심 기술을 사용했는데 ▲알파고 인공지능 알고리즘에서 사용하는 2차원 계산을 1차원 계산으로 바꿔 고속 저전력화 ▲분산형으로 배치된 칩 내 메모리가 가로방향 뿐 아니라 세로방향도 읽어낼 수 있는 특수 저전력 분산 메모리로의 설계 ▲1024개의 곱셈기와 덧셈기가 동시에 구동돼 막강한 계산력을 가지면서 외부 통신망을 거치지 않고 직접 계산 결과를 주고받을 수 있게 한 점이다.
CNNP는 97%의 인식률을 가지면서도 알파고에 사용된 GPU에 비해 5천분의 1정도의 낮은 전력인 0.6mW만을 소모한다.
K-Eye를 목에 건 사용자는 앞에서 다가오는 상대방의 얼굴이 화면에 떠오르면 미리 저장된 정보와 실시간으로 찍힌 사진을 비교해 상대방의 이름 등 정보를 자연스럽게 확인할 수 있다.
동글 타입인 K-EyeQ는 스마트폰에 장착해 이용할 수 있는데 사용자를 알아보고 반응하는 기능을 한다. 미리 기억시킨 사용자의 얼굴이 화면을 향하기만 하면 스마트폰 화면이 저절로 켜지면서 그와 관련된 정보를 제공한다.
또한 입력된 얼굴이 사진인지 실제 사람인지도 구분할 수 있어 사용자의 얼굴 대신 사진을 보여주면 스마트폰은 반응하지 않는다.
유 교수는 “인공지능 반도체 프로세서가 4차 산업혁명시대를 주도할 것으로 기대된다”며 “이번 인공지능 칩과 인식기의 개발로 인해 세계시장에서 한국이 인공지능 산업의 주도권을 갖길 기대한다”고 말했다.
□ 사진 설명.
사진1. K-EYE 사진
사진2. K-EYEQ 사진
사진3. CNNP 칩 사진
2017.06.14
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유회준 교수, 무선으로 마취 심도 측정할 수 있는 기술 개발
〈 유 회 준 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 고려대학교 구로병원 최상식 교수, ㈜케이헬쓰웨어(대표 노태환)와의 공동 연구를 통해 무선으로 마취의 심도를 정확하게 파악할 수 있는 측정기를 개발했다.
하언수 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 9일 미국 샌프란시스코에서 열린 반도체 학술대회인 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
마취의 심도가 적정하게 유지되는 것은 환자에게 매우 중요하다. 마취가 얕으면 수술 도중 깨어나 큰 고통을 겪기도 하고, 반대로 마취가 너무 깊게 되면 심장발작, 합병증, 사망에 이르기도 한다.
프로포폴도 호흡을 억압하기 때문에 마취 심도가 깊어지면 사망 사고를 유발하기도 한다. 이런 사고 방지를 위해 마취 심도를 정량적으로 측정하려는 시도가 국내외로 활발하게 진행 중이다.
이러한 노력으로 개발된 마취심도계측기로 인해 마취 사고 발생률은 크게 낮아졌다. 그러나 기존의 제품들은 모니터링 장치에 연결하기 위해 긴 전선이 사용돼 번거로움을 유발한다. 또한 마취 약물 종류에 따라 심도를 측정할 수 없다는 한계가 있다.
연구팀이 개발한 마취 심도 모니터링 측정기는 마취 중인 환자의 이마에 접착된 패치를 통해 뇌파 신호 및 혈중 헤모글로빈 농도를 추출한다. 이를 정확히 제어하는 반도체 칩이 패치에 집적돼 무선으로 뇌파와 근적외선 분광 신호를 동시에 측정할 수 있다.
측정된 다중 신호들은 디지털 신호로 바뀌어 전달된 후 딥 러닝(Deep Learning) 기술을 이용해 환자의 마취 심도를 정확히 판단한다.
수술 시간이 길어지면 전극의 젤이 마르게 돼 뇌파 측정신호가 나빠지지만 연구팀은 이런 상황에서도 정확한 신호를 측정할 수 있는 회로 기법을 도입했다.
또한 실제 수술실에서 사용할 수 있는 초소형 근적외선 분광 센서가 붙어 있어 성별, 나이, 인종에 상관없이 유효한 신호 측정이 가능하다. 나아가 다중 신호를 이용하기 때문에 수술 중 전기 잡음을 유발하는 전기 소작기나 삽관 사용 중에도 신호 왜곡 없이 마취심도의 측정이 가능하다.
연구팀의 측정기는 기존 기기로는 측정이 불가능했던 케타민 등의 약물도 마취 심도를 측정할 수 있어 의료 분야에서 응용 가능할 것으로 기대된다.
유 교수는 “그동안 마취 심도 센서는 비싼 가격의 특정 외국회사 제품이 독점하는 형태였다”며 “환자들의 부담을 줄이면서 안전한 마취를 제공할 수 있어 새 제품을 개발할 수 있는 좋은 기회가 될 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 센서의 구성을 나타낸 모식도
그림2. 마취 심도의 측정 비교
2017.02.10
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동작 인식 증강현실 스마트 안경 개발
〈 유 회 준 교수 〉
우리 대학 전기 및 전자공학과 유회준 교수 연구팀이 동작 인식이 가능한 증강 현실 전용 초저전력 스마트 안경 ‘케이 글래스 3(K-Glass 3)’를 개발했다.
유 교수 연구팀은 2014년 증강현실을 기반으로 한 케이 글래스 1, 2015년 시선추적이 가능한 케이 글래스 2에 이어 동작 인식이 가능한 3번째 버전의 케이 글래스 3를 발표했다.
이번 연구는 지난 달 31부터 5일간 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
케이 글래스 3의 핵심 기술은 스테레오 카메라 시스템이다. 이를 통해 사용자가 가상 키보드를 타이핑하거나 가상 피아노 연주를 하는 등의 증강 현실을 체험할 수 있다.
기존 안경형 스마트 기기에서는 텍스트 전송을 위한 UI/UX(사용자 인터페이스 및 경험)가 없어 텍스트에 익숙한 사용자들에게 유용할 것으로 기대된다.
최근 대기업에서 발표되는 증강현실 기기들은 복잡한 알고리즘 처리를 위한 컴퓨터가 추가로 요구되고, 가상 아이콘 클릭 등의 심화 동작을 인식하기 위한 전용 센서를 필요로 한다.
이는 평균 3와트(W) 이상의 많은 전력을 소모시켜 스마트폰 대비 20%에 불과한 스마트 안경 시스템에서 사용하기엔 부적합하다.
그러나 케이 글래스 3의 스테레오 카메라 시스템은 복잡한 스테레오 비전 알고리즘을 초저전력 프로세서 내에서 평균 20mW의 효율로 가속하기 때문에 24시간 이상 동작 가능하다.
이는 연구팀이 저전력 딥러닝 전용 멀티코어를 모바일 기기에서 가속할 수 있도록 개발해 전용 프로세서 내에 집적했기 때문에 가능했다.
딥러닝 멀티코어는 총 7개의 고성능 코어로 구성돼 있고 사용자 동작 인식을 33ms 이내의 빠른 속도로 가속해 편리함을 증가시켰다. 또한 동작을 탐지해 사용하지 않을 때는 작동을 멈춰 초저전력으로 가속할 수 있다.
연구팀은 스마트 안경 시장이 스마트폰을 대체하기 위해선 저전력, 소형화는 물론 편리하고 직관적인 유저 인터페이스 및 경험(UI/UX) 개발이 필수적이라고 말했다.
이에 유 교수는 “케이 글래스 3는 기존 안경형 디스플레이(HMD)가 지원하지 않는 편리하고 직관적인 UI를 결합해 하나의 저전력 시스템으로 구현하는 데 성공했다”며 “미래 스마트 모바일 IT 분야에서 혁신적 변화를 주도할 것이다”고 말했다.
박성욱 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 유저 인터페이스 및 경험 개발 기업인 UX Factory와의 협업을 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 착용 이미지
그림2. 케이글래스 3 실제사진
그림3. 케이글래스 3를 통해 구현한 가상키보드,가상피아노
2016.02.25
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몸에 스티커 붙여 생체신호 측정한다
우리 대학 전기 및 전자공학과 유회준 교수, 유승협 교수 공동 연구팀이 신체 모든 부위에 손쉽게 부착이 가능한 생체신호 측정 스마트 스티커 센서를 개발했다.
연구팀의 스티커 센서는 반도체 칩과 휘어지는 유기광전소자를 결합한 초저전력 센서로 심전도, 근전도 뿐 아니라 산소 포화도도 측정 가능해 의료 및 헬스케어 분야에서 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.
이용수 박사과정과 이현우 석사과정이 주도한 이 기술은 미국 샌프란시스코에서 열린 세계적 반도체 학술대회 ISSCC(국제고체회로설계학회)에서 3일(현지시간) 하이라이트 논문으로 발표됐다.
스마트 스티커 센서는 길이 55mm, 너비 25mm의 직사각형 페트 필름(PET Film)에 센서, 처리기, 무선송수신기 기능을 집적한 초저전력 시모스 단일칩시스템(CMOS SoC)을 부착한 형태로 하이브리드 집적기술을 활용했다.
연구팀은 적, 녹색의 유기발광다이오드(OLED)와 유기광센서(OPD)로 구성된 유기광전소자를 사용해 전력 소모를 크게 줄였다.
산소 포화도 측정에는 녹색, 적색 광원이 동시에 필요한데 녹색 파장대역에서 효율이 낮은 기존 발광다이오드와 달리, OLED는 두 색의 파장대역 모두에서 고르게 높은 양자효율을 보인다. 동시에 광손실이 적도록 인체에 밀착 가능한 유연함을 가져 적은 구동 전류로 충분한 신호를 확보했다.
연구팀은 기존 기기들이 블루투스 통신으로 데이터를 전송하는 것과 달리 전도성이 존재하는 인체를 통신매질로 이용했다. 고속 저전력 전송이 가능한 인체매질통신 기술을 실현해 무거운 외부 소자 없이 초저전력으로 데이터 통신이 가능하다.
또한 기존 기기들이 개인차나 부위에 상관없이 항상 최대의 빛을 방출하는 것에 비해 스마트 스티커 센서는 자동으로 수신부의 빛 양을 모니터링해 상황에 맞춰 빛을 조절한다.
이를 통해 주변 빛이나 동작에 따른 신호 잡음을 효과적으로 제거하는 기술도 갖췄다. 또한 유기광전소자 특성상 빛의 밝기가 시간의 흐름에 따라 서서히 감소할 수 있지만 이 스티커 센서는 일정한 빛이 나오도록 제어해 장기간 일정한 밝기를 유지할 수 있다.
스마트 스티커 센서는 총 200마이크로와트(μW) 미만의 초저전력으로 구동 가능해 기존 기기의 수~수십 밀리와트(mW)에 비해 매우 감소된 전력 소비량을 보였다. 또한 동전 배터리 포함 약 2그램의 무게로 피부에 완벽히 부착이 가능해 48시간 이상 지속적으로 생체신호를 측정할 수 있다.
유회준 교수는 “국내외 IT 기업들이 차세대 산업으로 웨어러블 헬스케어를 주목하고 관련 디바이스를 출시하고 있다”며 “시장 선점을 위해서는 초저전력 및 소형화는 물론이고 시계, 밴드 같은 액세서리 형태에서 한 단계 나아가는 변화를 보여야 할 것이다”고 말했다.
유승협 교수는 “이번 스마트 스티커 센서의 개발로 플렉서블 OLED와 유기광센서 응용에 새 가능성을 열었다”고 말했다.
연구팀은 관련 회사에 기술이전을 통해 올해 내로 상용화할 예정이라고 밝혔다.
□ 그림 설명
그림1. 스마트 스티커 센서에 쓰인 플렉서블 OLED와 유기포토센서
그림2. 반도체 칩과 유기광전 소자 결합 하이브리드 스마트 스티커 센서
그림3. 스마트 스티커 센서 씨모스 단일칩시스템(CMOS SoC)
2016.02.05
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유회준 교수, 亞 대학 최초로 ISSCC 학회장 맡아
우리 학교 전기 및 전자공학과 유회준 교수가 10일부터 13일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로학회(ISSCC, International Solid-State Circuits Conference)에서 아시아 대학 최초로 학회장에 선임됐다.
임기는 2014년 4월부터 1년간이다.
유 교수는 학회 창설 이래 약 60년간 논문 실적은 세계 10위, 지난 10년간은 세계 4위로 기록돼 아시아 최고 실적을 낸 연구자로 인정받았으며, 2012년 공적상을 수상한 바 있다.
ISSCC는 매년 2월 개최되는 세계 최고 권위의 반도체분야 학회로 전 세계의 반도체 관련 기업, 연구소 및 대학에서 제출된 논문 중 약 200여편의 논문만 엄선해 발표되는 학회다.
‘반도체 올림픽’이라고도 불리는 이 학회는 전 세계 3천명 이상의 반도체 기술자들이 모여 4일간 기술을 뽐낸다. 인텔이 최초로 CPU 제품을 발표하거나 삼성에서 최초로 메모리 기술을 발표하는 곳으로도 유명하다.
유회준 교수는 “우리나라 반도체 기술은 외국 기술을 모방하는 수준을 넘어서 세계를 선도하고 있다”며 “앞으로 세계 반도체 기술을 한 차원 높게 끌어 올리는데 기여를 하고 싶다”고 소감을 밝혔다.
2014.02.12
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김현식 학생, 국내 첫 IEEE 박사과정 업적 상 수상
우리 학교 전기및전자공학과 김현식(지도교수 조규형) 박사과정 학생이 국제전기전자공학회(IEEE) 반도체회로분야(SSCS)에서 국내 최초로 ‘박사과정 업적 상(Predoctoral Achievement Award)’을 수상한다.
시상식은 내년 2월 미국 샌프란시스코에서 개최되는 국제고체회로학회(ISSCC)에서 거행되는데 김 씨는 1,000달러의 상금을 받는다.
이 상은 1983년 제정된 이래 국제전기전자공학회 반도체회로분야 회장을 역임한 UC버클리 번하드 보서(Bernhard Boser) 교수, 국제전기전자공학회 고체회로학술지 편집장인 미시건대학 마이클 플린(Michael Flynn) 교수 등 세계적인 석학들이 수상한 바 있다.
이 상은 전 세계에서 반도체회로를 전공하는 박사과정 학생을 대상으로 국제논문, 학업성적, 연구 성과, 추천서 등을 바탕으로 선발한다.
김 씨는 국제고체회로학회와 국제전기전자공학회 등에서 총 15편의 국제저널 및 국제학회 논문을 발표했다. 또 35건의 국내외 특허를 출원하고 삼성전자 휴먼테크논문대상 3년 연속(2회 연속 금상)으로 받은 점을 인정받았다.
2013.12.17
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KAIST 최연소 박사 졸업생, 유럽 유명연구소 입사
이슬기 박사
- 24일 오후 2시 교내 류근철 스포츠컴플렉스에서 2012년 학위수여식 개최 - 코흔 카네기멜론대 총장과 민계식 현대중공업 前 회장 등 2명에게 명예박사학위 수여
“연구하는 재미에 밤낮없이 랩에 있었지만 최연소 박사라니 앞으로 더욱 분발해야 되겠네요”
2012년 KAIST 학위수여식에서 스물다섯 나이에 최연소 박사학위 타이틀을 거머쥐고 연구실적 또한 탁월해 유럽 최대 전자연구소에 입사하는 졸업생이 있어 화제다.
주인공은 전기및전자공학과(지도교수 유회준)를 졸업하는 이슬기 박사.
24일 열린 KAIST 학위수여식에서 만난 이슬기 박사는 부끄러운 미소를 지었다. 이 박사는 오는 3월부터 네덜란드 아인트호벤에 위치한 바이오-메디컬 분야의 유럽 최대 전자연구소인 IMEC-NL(Interuniversity Microelectronics Center)에서 일하게 돼 이달 말 출국할 예정이다.
1987년생인 이슬기 박사는 서울과학고를 2년 만에 조기졸업하고 지난 2004년 KAIST 전기및전자공학과에 입학했다. 이후 3년 만에 학부 과정을 마치고 동 대학원에 진학해 5년 만에 박사학위를 받았다.
이슬기 박사는 학부 3학년이던 2006년, ‘웨어러블 헬스케어’에 대한 학부생 연구 프로그램(URP, Undergraduate Research Program)을 성공적으로 수행해 2위에 입상하면서부터 연구업적을 쌓기 시작했다.
동 대학원에 진학해 반도체시스템연구실에서 ‘웨어러블 헬스케어용 SoC (System on Chip) 및 관련 시스템’에 관련된 창의적인 연구를 수행하기 시작했던 것.
학부 때부터 한 우물만 계속 파온 이 박사의 대학원 연구실적은 초인적(超人的) 이다. 세계 최고의 학술 대회인 국제고체회로소자회의(ISSCC, International Solid-State Circuit Conference)를 포함해, 미국, 일본, 유럽, 대만 등에서 주최됐던 학회에서 총 11개의 논문을 발표하고 10개의 특허를 출원했다.
일반적으로 회로설계 분야에서 대학원과정 동안 ISSCC와 같은 세계적 학회에서 논문을 1편 이상 발표하기가 극히 드문 점을 감안할 때 11편의 논문이 채택되고 그중 3편이 우수 논문에 선정된 것은 극히 이례적이다.
특히, 2011년에는 언제 어디서나 간단하게 수면 상태를 모니터링 할 수 있는 ‘착용형 수면다원검사 시스템’을 개발해 국내외에서 커다란 관심을 받았다.
이 박사는 웨어러블 헬스케어 분야에서 이 같은 연구 성과를 인정받아 최첨단 나노전자기술을 선도하는 유럽연합(EU)의 중심 연구기관인 IMEC에서 일하게 됐다. 이 연구소에는 저전력 생체신호 검출 및 처리 분야의 세계적인 전문가들이 대거 모여있다.
이슬기 박사는 “학부시절부터 관심이 있었던 분야를 시간가는 줄 모르고 즐기면서 연구했더니 뜻밖의 좋은 성과를 낸 것 같다”며 “앞으로 이런 제도가 더욱 활성화되면 훌륭한 연구 성과들이 많이 나올 수 있을 것”이라고 말했다.
이 박사는 또 “해외에서 많은 경험을 쌓은 뒤 한국으로 돌아와 후배를 양성하는 일에 힘쓰고 싶다”며 “남자가 80% 이상 차지하는 이공계에서 여성과학자를 꿈꾸는 후배들의 멘토가 돼서 창조적인 연구를 할 수 있도록 돕고 싶다”고 덧붙였다.
한편, 이날 열린 KAIST 학위수여식에서는 이슬기 박사를 포함해 박사 442명과 석사 1102명, 학사 830명 등 총 2,374명의 졸업생이 배출됐다.
민계식 회장 코흔 총장
이날 서남표 총장은 제러드 리 코흔(Jared Leigh Cohon) 카네기 멜론대(CMU) 총장과 민계식 현대중공업 前 회장에게 각각 명예 과학기술학 박사학위를 수여했다.
코흔 총장은 1997년부터 총장직을 역임하면서 소통과 화합의 리더십으로 재적 학생 및 우수 교원의 증가, 연구비 증대, 재정확충 등 많은 발전을 이뤄 카네기멜론대학을 세계 TOP 5 연구중심대학으로 성장시킨 업적을 인정받았다.
민계식 前 회장은 ‘발명하고 연구하는 최고경영자’로 통하는 국내 최고의 조선공학 전문가로서 한국 조선업의 지난 40년간 조선해양기술 일류화를 위해 헌신해 우리나라를 세계 최강 조선해양산업 강국으로 만든 주역이다.
2012.02.24
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얼굴 위의 수면 전문의 개발
- 얼굴에 붙이기만 해도 자동 동작하는 수면다원검사 시스템 세계최초 개발
- 숙면 방해 원인을 본인 스스로 간편하게 조기 진단 가능
작고 똑똑한 ‘가정형 수면다원검사 시스템’이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
우리학교 전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀은 현재 병원에서 사용하고 있는 전선이 복잡하게 연결된 수면다원검사 시스템보다 훨씬 작고 얼굴에 붙여도 느낌이 없을 정도로 가볍지만 성능은 뛰어난 ‘가정형 수면다원검사 시스템’을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.
수면다원검사(Polysomnography, PSG)는 병원 내에 위치한 검사실에서 하룻밤을 보내며 잠을 자는 동안의 생체 신호를 모니터링 해 수면 관련 질환을 치료하는 데 사용된다. 그러나 기기의 크기나 이물감, 주변 환경의 변화 등에 의한 제약으로 정확한 결과를 얻기 위해서는 여러 날에 걸쳐 검사를 해야 했다.
연구팀이 이번에 개발한 시스템은 사용자의 수면에 방해를 받지 않도록 면봉 하나의 무게보다도 훨씬 가볍게 제작됐다. 또한, 수면 중 어쩔 수 없는 뒤척임으로 인해 장치가 떨어지더라도 이를 자동으로 감지해 스스로 다른 센서를 연결시켜 사용자의 수면 상태를 계속 모니터링 할 수 있는 지능형 집적회로(IC)가 탑재됐다.
아울러 생체신호 수집, 통신 및 처리 전반에 필요한 초저전력 회로를 적용함으로써, 전체 시스템이 작은 코인 배터리 하나 만으로도 연속 10시간 이상 동작이 가능해 수면에 충분한 동작 시간을 확보함과 동시에 무게를 크게 줄였다.
개발된 시스템은 생활 중 흔히 볼 수 있는 불면증이나 코골이 등과 같은 수면장애를 갖고 있는 사람들이 병원이 아닌 집에서 평소처럼 잠자는 동안 심장박동, 뇌파, 호흡 등의 생체 신호를 자동으로 측정한다. 다음 날 아침 밤새 저장된 생체 신호를 주치의에게 전송하면 주치의는 이를 분석해 원격으로 처방하는 방식으로 사용될 수 있다.
기존의 수면검사 시스템은 대형 병원의 특수 검사실에 설치되어 있어 입원을 하고 몸에 커다란 센서 수 십 개와 여러 개의 전선을 연결한 상태에서 하루 밤을 자야만 했었다. 그러나 이번에 개발된 시스템은 집에서 편하게 자는 동안 많은 양의 생체 신호를 측정할 수 있을 정도로 크기가 작고 무게가 가벼우며 소형 코인 배터리 1개만으로 구동이 가능할 정도로 적은 전력을 소모하기 때문에 유회준 교수 연구팀의 이번 연구가 더욱 주목을 받고 있다.
연구팀은 이러한 측정, 진단 및 처방 간의 의료 서비스 연계를 KAIST 내 병원과 함께 유-헬스케어의 연구로 수행할 예정이다.
유회준 교수는 “개발된 시스템은 우리가 세계 최초로 개발한 직물형 인쇄회로 기판(P-FCB)을 이용한 것으로, 천 위에 모든 시스템을 종합해 제작한 가볍고 사용하기 편리한 미래지향형 의료기기다. 조만간 민간 기업에 기술 이전을 통해 상품화할 예정이다”라고 말했다.
또한, “이 기술을 사용하면 일상생활 속에서 손쉽게 질병 및 장애를 진단, 처방 및 치료할 수 있어 삶의 질을 향상시킬 수 있는 진정한 유-헬스케어의 실현을 기대할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구의 책임자인 유회준 교수와 이슬기 박사과정 연구원은 개발한 시스템을 세계적인 반도체 학술대회인 ‘국제 고체회로 컨퍼런스(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)’에서 발표했으며 국내․외 관련분야 학자들에게 커다란 관심을 끌기도 했다. 특히 이 논문은 미국 ISSCC에서도 우수 논문으로 선정되었으며 일본의 유명 잡지인 닛케이일렉트로닉스(NIKKEI ELECTRONICS) 1월호에서도 차세대의 건강∙의료기기용 반도체 분야의 하이라이트 논문으로 소개되기도 했다.
2011.03.07
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