[비바100] 연산-기억 동시에… 인간 뇌 닮은 'AI반도체', 4차산업 관통 ‘키워드’로 부상

데이터센터용 AI반도체 사피온. (사진제공=SK텔레콤)

주요 글로벌 기업들이 ‘AI반도체’ 개발 대열에 합류하고 있다. AI반도체는 인공지능 서비스 구현에 필요한 대규모 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 고성능 반도체다. 특히 기존 반도체와 달리 대규모 데이터를 병렬로 동시 처리하는 것이 가능하다. 에너지 효율을 극대화해, 저전력으로 많은 데이터를 적은 지연속도로 처리 가능하다는 점도 강점이다.

AI반도체는 향후 자율주행과 각종 스마트 기술 및 산업에서 빼놓을 수 없는 반도체로 꼽힌다. 특히 해당 산업군들의 성장으로 처리해야 하는 데이터양이 폭증하면서, 데이터센터 등 제반 시설에 요구되는 AI반도체 수요도 증가할 전망이다.

◇빅테크·반도체·통신사, AI반도체 개발 경쟁  

실제 전 세계 AI반도체 시장도 향후 10년간 급성장을 이어갈 것이라는 분석이다. 시장조사업체 가트너는 오는 2030년 글로벌 AI반도체 시장이 1180억달러까지 성장할 것으로 추산하고 있다. 이는 지난해 시장 규모인 184억5000만달러의 약 10배 수준에 달하는 규모다.

AI반도체의 경우 아직 시장을 주도하는 기업은 없다. 다만 AMD와 인텔 등 반도체 기업과 IBM, 구글, 아마존, 마이크로소프트, 메타 등 빅테크 등이 AI반도체 자체 칩 개발에 적극 뛰어들고 있다. 특히 AI반도체의 경우 아직 기술이 초기단계인 만큼 글로벌 기업 간의 공동 연구 사례도 속속 등장하고 있다. IBM의 경우 국내 기업 중에서는 삼성전자와 저전력·고성능 반도체 구현 공정기술인 ‘VTFET’를 공동 개발하기도 했다.

국내 역시 반도체 기업과 통신사 등이 합종연횡을 통해, AI반도체 개발과 사업 등에 뛰어들고 있다.

통신사에서는 SK텔레콤이 지난해 11월 데이터센터용 AI반도체 ‘사피온’을 공개한 바 있다. SK텔레콤이 직접 개발한 반도체로, 대규모 연산을 저전력으로 빠르게 수행할 수 있다. 실제 사피온은 기존 GPU에 비해 전력 사용량은 80% 수준인데 반해, 딥러닝 시 연산 속도는 1.5배 이상 빠르다. SK텔레콤은 반도체 조직도 별도의 신설법인인 ‘사피온코리아’로 분할했다. 향후 AI서비스와 모델링 툴, 관리시스템 등 AI 관련 연구를 지속할 예정이다. 

이석희 SK하이닉스 사장이 CES 2022가 열린 미국 라스베이거스에서 기자 간담회를 갖고 ‘SK ICT 연합’의 비전을 발표하고 있다. (사진제공=SK)

SK텔레콤, SK스퀘어, SK하이닉스 3사로 구성된 SK ICT연합 역시, AI반도체 시장 진출을 위해 올해 출범했다. SK텔레콤은 5G, AI 분야에서 축적한 역량을 기반으로 데이터센터와 자율주행 전용 AI반도체 라인업을 확대한다. SK하이닉스는 메모리 반도체 기술과 AI 반도체의 시너지 강화에 나설 계획이다.

KT 역시 하이퍼스케일 AI컴퓨팅 서비스에 적합한 반도체를 구현하기 위해 2023년까지 GPU 기술 중심의 전용 AI반도체 제작에 나설 계획이다.

이들 기업의 목표는 AI반도체 표준 모델의 선점이다. AI서비스가 금융과 자율주행, 엔터테인먼트 등 산업 전 분야로 확대되면서, 자체 AI반도체 표준 모델을 만들어 AI서비스에 도입한다는 것이 통신사들의 목표다.


◇AI반도체 궁극 목표, ‘뉴로모픽’ 성큼

AI반도체는 중앙처리장치인 CPU와 GPU를 합친 1세대를 거쳐, 딥러닝 등 알고리즘 능력을 강화하고 전력 효율성을 높인 2세대 ‘NPU(신경망처리장치)’로 진화했다. 최근에는 일부 기업들이 사람의 뇌와 비슷한 프로세스를 모방한 차세대 AI반도체, ‘뉴로모픽’ 반도체 개발에 나서고 있다.

뉴로모픽은 인간의 신경망 매커니즘을 반도체로 유사하게 구현하는 기술이다. 사람의 뇌와 같이 동시다발적인 데이터 처리가 가능하고, 메모리반도체 기능과 시스템반도체의 연산 기능 역시 함께 수행할 수 있는 차세대 초저전력·고성능 컴퓨팅 시스템이다.

글로벌 기업 중에서는 IBM이 뉴로모픽 반도체 분야에서 가장 기술적으로 앞서 있다는 평가다. 성능에서 가장 우수하다고 평가받는 트루노스 등의 뉴로모픽 반도체도 2014년 IBM이 낸 성과다. 다만 아직까지 뉴로모픽의 요건인 초저전력 등을 구현하지 못한 상태다.

인텔도 2017년에 개발한 로이히 칩을 통합한 뉴로모픽 기반 컴퓨팅 시스템 ‘포호이키 스프링스’를 2020년 공개하기도 했다.

‘뉴로모픽’ 이미지. (사진제공=삼성전자)

삼성전자 역시 NPU 개발에 이어 뉴로모픽으로 활용이 가능한 차세대 AI반도체 기술 구현을 진행 중이다. 삼성전자는 지난 13일 자기저항 메모리(MRAM) 기반의 ‘인-메모리 컴퓨팅’을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다. 인-메모리 컴퓨팅은 메모리 내에서 데이터의 저장과 연산을 모두 수행하는 최첨단 반도체 기술이다. 기존 기술보다 전력 소모가 현저히 낮다.

삼성전자가 해당 칩의 성능을 AI 계산에 응용한 결과, 숫자 분류에서는 최대 98%, 얼굴 검출에서는 93%의 정확도로 동작하는 것으로 확인됐다. 또 해당 MRAM 칩은 생물학적 신경망을 다운로드하는 뉴로모픽 플랫폼으로 활용할 수 있을 것으로 평가된다. 삼성전자는 “인-메모리 컴퓨팅은 메모리와 연산이 접목된 기술로, 기억과 계산이 혼재돼 있는 사람의 뇌와 유사하다”며 “향후 실제 뇌를 모방하는 ‘뉴로모픽 기술’의 연구와 개발에 도움이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 CPU, GPU 등의 에너지와 전력 소비를 극복하기 위한 다양한 방법도 논의되고 있다. 미국 스타트업 기업인 삼바노바 등은 GPU를 대신해 RDU라는 고성능 AI반도체를 개발했다. GPU 기반의 엔비디아 등 기존 기업들과는 달리 신형 AI반도체의 설계부터 응용 등 전 분야에 RDU를 도입, 적용한다는 계획이다.

우주성 기자 wjsburn@viva100.com