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본 논문에서는 스파이크 검출과 스파이크 트리거 자극을 단일 다이에 통합하여 감지-자극(sense-to-stimulate) 루프를 전적으로 실리콘 내부에서 폐루프로 완성하는 모놀리식 폐루프 적응형 신경자극 시스템온칩(SoC)을 제안한다. 선행 연구에서는 물리적으로 분리된 1 × 1 mm² 노드들 간의 독립적인 기록 및 자극이 가능한 분산형 신경 인터페이스를 구현하였으나, 폐루프 제어 경로가 외부 릴레이에 의존하여 밀리초 수준의 왕복 지연이 발생하였다. 제안하는 SoC는 아날로그 비선형 에너지 연산자(NEO) 기반 적응형 스파이크 검출기의 출력을 자극 제어기로 직접 연결함으로써 이 루프를 실리콘 내부로 축약하며, 종단 간 감지-자극 지연 100 μs 미만을 목표로 한다. 12비트 축차 비교형(SAR) ADC는 폐루프 경로와 직렬이 아닌 병렬로 배치되어, 자극 결정 과정에 변환 지연을 개입시키지 않으면서 오프라인 검증을 위한 원시 파형 로깅 기능을 제공한다. 또한 이상성(biphasic) 자극 중 잔류 DC 전하를 추적하고 자율적으로 펄스 폭 보상을 적용하여 장기 조직 안전성을 보장하는 하이브리드 하드웨어 전하 누적 모니터(디지털 DAC 코드 누산기 + 주기적 아날로그 전류 감지 검증)를 도입하였다. 삼성 28 nm RFCMOS 공정을 이용해 4 mm × 4 mm 다이에 구현된 본 SoC는 설정, 텔레메트리 및 데이터 로깅을 위한 915 MHz BPSK 다운링크와 LSK 백스캐터링 업링크 무선 통신을 지원하며, 공격적인 듀티 사이클 기반 전력 게이팅을 통해 무선 전력 이식 장치의 예산 내로 대기 전력을 유지한다. |
