버섯 컴퓨터: 버섯이 뉴로모픽 칩에 전력을 공급하는 방법

새로운 유형의 생물학적 컴퓨터

Computing은 처음에 아날로그 기술로 개발되었으며, 이는 명확히 구분되는 1과 0 대신 더 복잡하고 (혼란스러운) 신호를 사용한다는 점에서 디지털 기술과 차이가 있습니다.

출처: Unison Audio

일반적으로 디지털 신호는 분석, 복제 및 전송이 더 쉽습니다. 그러나 아날로그 신호는 실제 세계 상황의 복잡성과 모든 뉘앙스를 처리하는 데 더 뛰어납니다.

이 때문에 과학자들은 AI, 센싱 및 기타 응용 분야의 새로운 발전을 위해 아날로그 형태의 컴퓨팅을 다시 살펴보고 있습니다. 여기에는 뇌가 데이터를 처리하는 방식을 모방하는 소위 뉴로모픽 칩의 다양한 설계가 포함됩니다.

뇌와 같은 능력을 활용해 컴퓨팅을 수행하려는 새로운 발전으로, 실리콘 칩 대신 유기 조직을 사용해 작업을 수행하는 실제 생물학적 컴퓨터가 등장했습니다. 한 예로 인간 뉴런으로 만든 실험실 배양 조직인 오가노이드를 사용해 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있습니다. 이와 기능성 뇌 조직을 3D 프린팅하는 새로운 기술을 결합하면 완전히 새로운, 기이한 형태의 컴퓨팅 능력이 열릴 수 있습니다.

오하이오 주립대학의 과학자들이 신경 활동을 기억할 수 있는 데이터 프로세서인 뉴로모픽 유기 멤리스터를 만들었으며, 이는 뉴런이 아니라 버섯으로 제작되었습니다.

그들은 이 발견을 PLOS One 학술지에 “Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics”라는 제목으로 발표했습니다.

왜 뉴로모픽 컴퓨팅을 사용해야 할까요?

NPUs의 부상

Neural Processing Units (NPUs), 즉 뉴로모픽 칩은 CPU와 GPU와 같은 전통적인 칩에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다:

• 설계가 더 유연하여 칩 아키텍처가 학습 데이터에 맞게 조정될 수 있습니다.
• 에너지 소비가 훨씬 낮으며, 경우에 따라 비교 가능한 GPU의 1/100 수준에 불과합니다.
• 열 발생이 적어 고성능 AI 데이터 센터에서 증가하는 냉각 문제를 완화합니다.

(You can read more about AI-specialized hardware, including NPUs, in our dedicated report.)

“실제 신경 활동을 모방하는 마이크로칩을 개발할 수 있다는 것은 대기 전력이나 사용하지 않을 때 많은 전력이 필요하지 않다는 것을 의미합니다.

이는 거대한 계산 및 경제적 이점을 제공할 수 있는 잠재력이 됩니다.”

John LaRocco – 오하이오 주립대학 의과대학 정신과 연구 과학자

현재 뉴로모픽 칩을 만들기 위해 탐구되고 있는 방법은 다음과 같습니다:

• 잠재적 강유전체(incipient ferroelectricity)를 활용, 아직 충분히 이해되지 않은 현상.
• 바나듐 또는 티타늄을 이용한 활성 기판.
• 멤리스터 사용, 새로운 전자 부품으로 일반 전력 소비의 1/800 수준으로 AI 작업을 수행할 수 있습니다.

멤리스터가 시냅스를 모방하는 방식

멤리스터는 전자 부품으로서 뉴런 연결 시냅스를 모방하며 전원이 꺼진 후에도 어떤 전기 상태로 전환되었는지를 기억합니다.

이는 프로세서와 메모리 간에 데이터를 주고받는 데 소모되는 에너지와 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

멤리스터의 핵심 강점 중 하나는 효율적이고 자체 적응적인 현장 학습 능력으로, 로봇공학 및 자율주행 차량 분야에 필수적입니다.

또한 멤리스터의 낮은 전력 소비는 에너지 효율이 가장 중요한 로봇공학 및 자율주행 차량에 특히 유리합니다. 하이브리드 아날로그‑디지털 멤리스터 시스템은 반응성을 희생하지 않으면서 처리 중 전력 사용을 최소화할 수 있습니다.

현재까지의 문제는 전자 멤리스터 제작이 아직 생산 수율이 낮고 전자 성능이 신뢰할 수 없는 신흥 기술에 의존한다는 점입니다.

오가노이드와 같이 실제 뉴런을 사용하는 방법도 있지만, 뉴런은 상대적으로 취약하고 배양이 어려워 작업이 매우 까다롭습니다.

하지만 뉴런만이 전기 신호를 처리하고 반응할 수 있는 유일한 생물 조직은 아닙니다.

가능한 대안 중 하나는 일반 버섯을 구성하는 조직인 균사체이며, 이는 놀라운 강인함으로 알려진 유기체입니다. 균사체는 기존 뉴런 및 신경 오가노이드보다 간단한 바이오리액터와 영양 배양으로도 성장시킬 수 있습니다.

버섯 컴퓨터를 만들 수 있을까?

버섯 재료는 전기 자극에 의해 동적으로 형성될 수 있는 전도 경로를 보여주며, 이는 기존 멤리스터에서 형성되는 전도성 필라멘트와 유사합니다.

이러한 적응성은 전통적인 멤리스터 재료보다 시냅스 행동을 더 가깝게 모방하는 가변 저항 상태를 촉진함으로써 뉴로모픽 응용 분야에서 성능을 향상시킬 수 있습니다.

유기 재료는 또한 전자 멤리스터보다 훨씬 낮은 전압에서도 안정적인 스위칭 특성을 유지하면서 효과적으로 작동할 수 있는 장점이 있습니다.

이는 매우 낮은 전력 공급에 의존할 수 있는 휴대용 전자기기 및 사물인터넷(IoT) 응용 분야에 에너지 효율적인 장치를 만드는 데 중요할 수 있습니다.
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왜 식용 버섯이 컴퓨팅에 적합한가

연구진은 일반적인 양송이와 식용 및 약용 표고버섯을 실험에 사용했으며, 두 종 모두 재배 방법이 잘 알려져 있고 비용이 저렴합니다.

표고버섯은 활성화될 때 다공성 탄소 구조를 가지고 있음이 이전에 밝혀졌습니다. 이 다공성 구조는 장치의 전기화학적 성능을 향상시켜, 슈퍼커패시터 및 잠재적으로 멤리스터와 같은 에너지 저장 시스템에 적합한 후보가 됩니다.

또한 방사선 저항성이 매우 높아, 자외선 및 태양풍과 같은 이온화 방사선에 의해 전자 칩이 손상될 수 있는 우주항공 분야에 유용할 수 있습니다.

버섯의 전기적 반응

과학자들은 버섯 시료를 탈수시킨 후 테스트용으로 연결했습니다.

출처: PLOS One

그 후 다양한 전압, 파형 및 주파수 범위에서 멤리스터 가능성을 테스트했습니다.

응답 아날로그 신호는 강한 멤리스터 특성을 보이며, 디지털 신호를 아날로그 형태로 모방했습니다.

출처: PLOS One

전체적으로 5,850 Hz의 빠른 스위칭 속도, 90% (±1%)의 정확도, 비교적 낮은 에너지 소비, 가벼운 무게 및 방사선 저항성은 버섯 멤리스터가 엣지 컴퓨팅, 우주항공 및 임베디드 펌웨어 응용 분야에 매력적임을 보여줍니다.

하지만 주파수가 증가함에 따라 정확도가 감소했으며, 모든 유형의 신호를 이 방법으로 처리하거나 계산할 수는 없을 것으로 보입니다.

또한 이 방법은 식품 등급 표고버섯을 목재 칩 위에서 재배하는 등 생분해성 재료만을 생산하며, 기존 전자 칩과 달리 희귀 금속이나 유독 물질이 필요하지 않다는 점도 주목할 만합니다.

미래 잠재력

본 연구는 최초 시도였으며 두 가지 측면에서 제한되었습니다:

• 테스트 기간이 짧아 2개월만 진행되었습니다. 따라서 버섯 멤리스터의 장기적인 성능은 아직 조사되지 않았습니다.
• 대량 생산 방식을 사용했으며, 실제 응용을 위해서는 전용 환경에서 성장된 미세 배양 균사체가 필요해 훨씬 작고 정밀한 결과를 얻을 수 있습니다.

따라서 이는 실제로 버섯 컴퓨팅이라는 이색적인 개념이 가능하고 신뢰할 수 있음을 보여주는 개념 증명에 불과합니다.

향후 설계에서는 3D 프린팅된 템플릿과 구조를 활용해 표고버섯을 원하는 형태로 성장시키는 보다 일관된 재배 기술이 사용될 가능성이 높습니다.

프로그래밍은 3D 프린팅된 재배 구조에 전기 접점을 추가함으로써 더욱 용이해질 수 있습니다.

마지막으로 장기 사용을 위해서는 탈수, 건조, 동결 건조, 특정 하이드로젤 및 특수 코팅 등 다양한 보존 기술이 필요합니다.

그럼에도 불구하고, 전적으로 유기 재료만을 사용하고 저렴하면서도 생분해 가능한 버섯 소재로 만든 멤리스터를 개발한다는 아이디어는 매우 흥미롭습니다.

바이오프린팅에 투자하기

BICO Group AB (BICO.ST)

유기 기반 컴퓨팅이 진전됨에 따라 살아있는 조직의 3D 프린팅은 점점 더 많이 사용되는 도구가 될 것입니다. 처음에는 연구에, 이후에는 이 기술을 활용한 장치 생산에 활용될 것입니다.

이 분야의 선두주자는 전 세계 연구자들이 바이오프린팅에 사용하는 Cellink이며, 그 기계는 다양한 바이오프린팅 작업에 활용됩니다.

출처: Cellink

2021년에 Cellink는 2019년에 Cytena를, 2020년에 Scienion을 인수하면서 BICO Group으로 사명을 변경했습니다.

Cellink는 여전히 바이오프린팅 사업 부문의 브랜드명으로 남아 있습니다. 이는 주문형 3D 조직이나 장기 제작에도 활용될 수 있습니다. (You can read a discussion on this topic in “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).

바이오프린팅은 사업의 약 1/5:를 차지하며, 바이오과학 자동화 부문, 생물 샘플 이미지화 등을 포함해전체 매출의 3/5:^th를 차지합니다.

출처: BICO Group AB

장기적으로 바이오프린팅 기업은 연구자에게 도구를 제공하는 단계에서 벗어나, 제약 회사의 환자용 바이오프린팅 치료제 공급업체로 성장할 가능성이 높습니다.

이는 결국 사용되는 바이오프린터 수와 매달 판매되는 소모품 양을 크게 변화시킬 것입니다.

이는 PacBio (PACB)와 Illumina (ILMN)와 같은 다른 바이오랩 장비 제조업체가 소모품 지속 매출을 통해 매출의 80%를 차지하게 된 과정과 유사합니다.

BICO Group은 이 분야에만 의존하지 않기 때문에, 다른 성숙한 바이오과학 자동화 제품을 통해 연구자와의 네트워크를 구축하면서 기술을 지속적으로 개선하고 사용자 기반이 임계 질량에 도달할 때까지 수익을 창출할 수 있습니다.