신경 모방 압축 기술로 대규모 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 구현 기반 마련
- 신경과학 발전의 핵심에는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)가 존재
* BCI는 뇌와 전자기기를 직접 연결하는 기술로, 혁신적인 치료법뿐 아니라 뇌 기능에 대한 이해를 넓힐 핵심 기술로 주목받음
- 대뇌 피질의 전기 신호를 측정하는 피질형 BCI는 여러 방식으로 구현:
- 두 방식 모두 기록 채널이 늘어날수록 전송하고 처리해야 하는 신경 데이터도 급격히 증가
- 데이터가 많아질수록 전력 소비와 발열이 커지는 만큼, 뇌 조직 손상을 막으면서 신경 신호의 정확성을 유지하는 무손실 압축 기술이 필수적
기록 채널과 무선 대역폭만 늘려서는 한계
- 현재의 1,500채널 신경 탐침에서 생성되는 원시 데이터를 그대로 전송하려면 500Mbps 이상의 대역폭이 필요
- 결국 기록 장치와 무선 통신 사이에서 데이터를 획기적으로 줄여주는 온칩 (on-chip) 압축 기술이 핵심 과제로 떠오름
- 기존 압축 방식은 대용량 메모리나 복잡한 회로가 필요하거나 손실 압축에 의존해 체내 삽입형 BCI에 적합하지 않았음
실시간 무손실 압축을 구현한 NCT 칩
- Imec은 이러한 문제를 해결하기 위해 신경 모방 압축 원격 전송 (Neuromorphic Compressive Telemetry, NCT) 칩을 개발
- 이 칩은 두 가지 핵심 기술을 기반으로 함:
- 두 기술을 결합해 중복 데이터를 제거하고 소비 전력과 전송 대역폭을 줄이면서도 신경 신호를 그대로 복원
신호가 변할 때만 데이터를 생성
- Imec이 개발한 Send-on-delta 방식은 신호가 미리 설정한 임계값(Δ) 이상 변할 때만 데이터를 생성
- 연속적인 파형을 모두 기록하는 대신 의미 있는 변화만 이벤트 형태로 저장
- 해당 방식은 데이터량을 크게 줄이는 동시에 소비 전력과 필요한 통신 대역폭도 감소시키며, 신경 스파이크는 그대로 보존
새로운 AER 방식으로 전송 효율 향상
- 이벤트 기반 데이터는 기존 통신 방식으로는 효율적으로 처리하기 어렵다는 문제 해결을 위해 연구진은 eSER(Event-based Serializer)를 개발
- 이 기술은 신경 활동이 있을 때만 데이터를 전송하고, 인접 전극의 동시 이벤트를 하나의 패킷으로 묶어 주소 정보 중복을 제거
- 또, 이벤트 충돌을 막아 복잡한 중재 회로 없이도 일정한 지연시간을 유지
실제 신경 데이터로 성능 검증
- 연구진은 65nm CMOS 공정으로 제작한 NCT 칩을 실제 동물 신경 기록 데이터로 검증
- 그 결과 384개 기록 채널의 신경 신호를 실시간으로 디지털화하고 압축 및 전송한 뒤 정확하게 복원하는 데 성공
- NCT 시스템 전체 소비 전력은 채널당 0.1μW에 불과
- 기본 압축 방식보다 메모리를 약 55배 적게 사용해 칩 면적과 소비 전력, 발열을 줄여 체내 삽입형 의료기기에 적합
다음 목표는 1만 채널과 100배 압축
- Imec은 이번 연구를 통해 NCT 기술이 현재 최고 수준인 1,500채널 규모까지 확장 가능하다는 점을 확인
- 연구진은 AI 기반 오토인코더(autoencoder)를 결합해 행동이나 질병 진단에 필요한 신경 신호 약 1%만 선별 전송하는 기술도 개발 중
- 이를 통해 데이터량을 최대 100배까지 줄이고, 향후 1만 개 이상의 기록 채널을 갖춘 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스 구현을 목표로 함
