사진제공=삼성전자

[여성소비자신문 한고은 기자] 미래반도체 ‘AI반도체’ 패권을 확보하기 위해 정부와 기업이 머리를 맞댔다. AI반도체는 기존 메모리와 비메모리 반도체의 특성을 모두 담은 미래 반도체다. 삼성과 SK하이닉스 등은 현재 속속 개발을 완료하고 글로벌 시장에 나설 준비를 하고 있다.

데이터 저장, 연산 모두 가능한 미래 AI반도체 ‘PIM’

메모리반도체는 정보를 저장한다. 비메모리 반도체, 즉 시스템 반도체는 연산하고 처리한다. AI반도체는 데이터를 저장하고 연산, 처리하는 기능을 모두 갖춘 미래 반도체로 여겨진다.

현재 글로벌 AI반도체 시장을 이끄는 기업은 미국의 ‘엔비디아’다. 엔비디아의 1세대 GPU를 중심으로 초기시장을 확보했다. 데이터센터용 AI 반도체는 CPU와 GPU를 기반으로 하고 있어 엔비디아와 인텔이 점유율을 차지하고 있다.

엔비디아는 아마존웹서비스, 마이크로소프트, IBM, 구글 등 글로벌 4대 클라우드 서비스에 사용되는 AI 가속기의 97% 점유하고 있는 것으로 나타났다.

최근에는 2세대 NPU 기술을 중심으로 AI반도체가 발전 중에 있다. 여기에 우리기업인 삼성전자와 SK하이닉스가 기존 메모리 반도체에 연산 기능을 넣은 프로세싱인메모리(PIM) 기술을 잇따라 발표하며 AI 반도체 시장에 도전하고 있다.

PIM은 데이터 저장과 연산을 동시에 하는 기능이 담겼다. CPU와 메모리 사이에 데이터들이 오가며 연산 성능이 저하되는 것을 막는 것이 특징으로, 보다 다양한 AI 서비스와 결합할 수 있다는 것도 장점으로 꼽힌다.

삼성, 인공지능 HBM-PIM 개발

삼성전자는 지난해 세계 최초로 메모리 반도체와 인공지능 프로세서를 하나로 결합한 HBM-PIM(Processing-in-Memory)을 개발했다. 삼성전자는 PIM 기술을 활용해, 슈퍼컴퓨터(HPC)와 AI 등 초고속 데이터 분석에 활용되는 HBM2 Aquabolt에 인공지능 엔진을 탑재한 HBM-PIM을 개발했다.

AI 시스템에 HBM-PIM을 탑재할 경우 기존 HBM2를 이용한 시스템 대비 성능은 약 2배 이상 높아지고, 시스템 에너지는 70% 이상 감소된다. 또한 기존 HBM 인터페이스를 그대로 지원해 HBM을 이용하는 고객들은 하드웨어나 소프트웨어의 변경 없이 HBM-PIM을 통해 강력한 AI 가속기 시스템을 구축할 수 있게 됐다.

최근 인공지능의 응용 영역이 확대되고 기술이 고도화됨에 따라 고성능 메모리에 대한 요구가 지속적으로 커져왔으나 기존의 메모리로는 폰 노이만 구조의 한계를 극복하기 어려웠다.

폰 노이만 구조는 오늘날 대부분의 컴퓨터에서 사용하는 방식으로 CPU가 메모리로부터 명령어를 불러오고 실행하며 그 결과를 다시 기억장치에 저장하는 작업을 순차적으로 진행한다. 이 과정에서 CPU와 메모리간 주고받는 데이터가 많아지면 작업처리가 지연되는 현상이 생긴다.

삼성전자는 이를 극복하기 위해 메모리 내부의 각 뱅크에 인공지능 엔진을 장착하고 병렬처리를 극대화해 성능을 높였다. 또한 HBM-PIM은 메모리 내부에서 연산처리가 가능해 CPU와 메모리간 데이터 이동이 줄어들어 AI 가속기 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.

삼성전자는 이러한 혁신기술을 D램 공정에 접목시켜 HBM-PIM을 제품화 하는데 성공하고 반도체 분야 세계 최고권위 학회인 ISSCC에서 논문을 공개했다.

삼성전자 메모리 사업부 상품기획팀장 박광일 전무는 “HBM-PIM은 AI 가속기의 성능을 극대화 시킬 수 있는 업계최초의 인공지능 맞춤형 PIM 솔루션으로 삼성전자는 고객사들과 지속적으로 협력을 강화해 PIM 에코 시스템을 구축해 나갈 것”이라고 밝혔다.

미국 아르곤 국립 연구소 CELS(컴퓨팅, 환경 및 생명과학) 연구실장 릭 스티븐스는 “HBM-PIM은 AI 응용을 위한 성능 및 에너지 효율 측면에서 놀라운 성과로 HBM-PIM 시스템 평가를 위해 향후에도 삼성전자와 지속적인 협력을 기대한다”고 밝혔다.

뿐만 아니라 삼성전자는 메모리와 시스템반도체의 융복합화를 주도하며, 다양한 글로벌 기업들과 협력을 통해 차세대 메모리 반도체 생태계를 빠르게 확대해 나갈 계획이다.

그 일례로 FPGA 개발 업체인 미국 자일링스(Xilinx)에서 이미 상용화 중인 AI 가속기 시스템에 HBM-PIM을 탑재했을 경우 기존 HBM2를 이용한 시스템 대비 성능은 약 2.5배 높아지고, 시스템 에너지는 60% 이상 감소됨을 공개하며 참석자들로부터 큰 관심을 받았다.

삼성전자는 이와 같이 PIM 이라는 혁신 기술을 D램 공정에 접목시켜 다양한 응용처에서 실제 성능과 에너지 효율이 대폭 향상됐음을 강조하며 PIM기술이 빅데이터 시대의 새로운 메모리 패러다임이 될 것임을 강조했다.

삼성전자 메모리사업부 DRAM 개발실 김남승 전무는 “HBM-PIM은 업계 최초의 인공지능 분야 맞춤형 메모리 솔루션으로, 이미 고객사들의 AI 가속기에 탑재되어 평가되고 있어 상업적 성공의 가능성을 보였으며, 향후 표준화 과정을 거쳐 차세대 슈퍼컴퓨터 및 인공지능용 HBM3, On-Device AI용 모바일 메모리 및 데이터센터용 D램 모듈로 확장할 예정”이라고 밝혔다.

SK하이닉스 GDDR6-AiM 샘플 개발

SK하이닉스도 지난 2월 PIM을 개발했다. PIM이 적용된 첫 제품으로 ‘GDDR6-AiM(Accelerator in Memory)’ 샘플을 개발했다. 초당 16기가비트(Gbps) 속도로 데이터를 처리하는 GDDR6 메모리에 연산 기능이 더해진 제품이다.

일반 D램 대신 이 제품을 CPU/GPU와 함께 탑재하면 특정 연산의 속도는 최대 16배까지 빨라진다. 앞으로 GDDR6-AiM은 머신러닝(Machine Learning), 고성능 컴퓨팅, 빅 데이터의 연산과 저장 등에 활용될 전망이다.

특히, 이 제품은 GDDR6의 기존 동작 전압인 1.35V보다 낮은 1.25V에서 구동된다. 또, 자체 연산을 하는 PIM이 CPU/GPU로의 데이터 이동을 줄여 CPU/GPU에서 소모되는 전력을 줄여준다. 그 결과, 기존 제품 대비 에너지 소모는 80% 가량 줄어든다. 이를 통해 제품이 들어가는 기기의 탄소 배출을 저감함으로써 ESG 경영 측면에서도 성과를 거둘 수 있다고 회사는 보고 있다.

SK하이닉스 안현 부사장(Solution개발 담당)은 “SK하이닉스는 자체 연산 기능을 갖춘 PIM 기반의 GDDR6-AiM을 활용해 새로운 메모리 솔루션 생태계를 구축할 것”이라며, “앞으로도 회사는 사업모델과 기술개발 방향성을 지속적으로 진화시켜 나가기 위해 노력하겠다”고 말했다.

정부, AI반도체 전문인력 7천명 이상 양성…5년간 1조 200억원 투입

정부도 AI반도체 첨단기술 연구에 향후 5년간 1조 200억원 투입해 AI반도체 전문인력을 7000명 이상 양성하기로 했다. 또한 국산 AI반도체 초기수요 창출을 위한 대형 테스트베드 구축 및 공공사업 적용을 넓히고, 차세대 반도체 상용화 위한 대기업과 산·학·연 간 첨단 공정기술을 협력할 계획이다.

과학기술정보통신부는 6월 27일 KAIST 본원에서 열린 제1차 인공지능(AI) 반도체 최고위 전략대화에서 이와 같은 내용의 ‘인공지능 반도체 산업 성장 지원대책’을 발표했다.

특히 이번 대책은 지난 5월 이종호 장관 취임 후 첫 현장 행보로 추진된 AI반도체 기업과의 간담회에서 제기된 업계의 정책수요를 바탕으로 산·학·연 논의를 거쳐 마련한 것이다.

먼저 인공지능 반도체 초격차 기술력을 확보하고자 AI반도체 첨단기술 연구개발(R&D)에 예타사업을 포함해 향후 5년 동안 1조 200억원을 투입하고 미국 등 선도국과 공동연구를 확대한다.

또한 국산 인공지능 반도체 초기 시장수요를 창출하는데, 반도체 최대 수요처 중 하나인 데이터센터를 국산 AI반도체로 구축하는 사업을 내년에 신설하고 AI 개발자에 컴퓨팅 파워를 무상 제공할 계획이다.

AI 제품·서비스 개발에 국산 AI반도체를 활용하고 성능을 검증하는 ‘AI+ Chip 프로젝트’를 새로 추진하고, 지능형 CCTV, 스마트시티 등 각 부처·지자체가 구축하는 공공사업에도 국산 칩이 적용·확산될 수 있도록 협의해 나간다.

대기업이 참여하는 산·학·연 협력 생태계를 조성하고자 대학·연구소가 첨단 상용 공정에 최적화된 반도체를 설계할 수 있도록 대기업과의 협력을 강화한다.

PIM반도체를 개발하는 정부사업에 참여하는 연구기관에는 삼성전자와 SK하이닉스가 기술자문을 제공하고, 성과가 우수한 연구 결과물의 반도체 생산 공정 적용을 검토한다.

이와 함께 NPU를 개발하는 정부사업의 연구 결과물 중 삼성전자 협력업체에서 검증해 우수 설계기술(IP)로 평가된 경우 삼성전자 파운드리의 설계기술 데이터베이스에 포함하고 다양한 팹리스 기업 제품에 적용될 수 있도록 지원한다.

정부 ICT R&D 기획과정에 삼성전자·SK하이닉스가 참여해 유망기술에 대한 수요를 제기하고 기획결과를 검증한다. PIM 반도체설계연구센터와 삼성전자·SK하이닉스 간 상호 인력파견 및 공동연구를 추진하는 등 R&D·인력 교류도 지속 확대한다.

특히 이번 대책에서는 인공지능 반도체 전문인력 7000명을 양성하기로 했다.

이에 AI반도체 관련의 다양한 학과가 공동으로 교육과정을 구성·운영하는 ‘AI반도체 연합전공’을 3개교에 개설하고, 대학·연구소가 보유한 반도체 시험생산 설비의 고도화 및 이와 연계한 반도체 설계·제작 교육 신설 등을 추진한다.

또 연구 중심의 석·박사 고급인재 양성을 위해 ‘AI반도체 대학원’을 내년 3개교에 신설하고 참여 학생 중 우수 석·박사 학생을 해외 대학에 단기 파견하는 프로그램도 운영할 계획이다.

이종호 과기정통부 장관은 “AI반도체는 디지털 전환 시대에 경제·산업적 가치가 갈수록 높아질 것이며 메모리반도체·파운드리 분야 경쟁력을 바탕으로 우리나라가 선점 가능한 분야”라고 강조했다.

이어 “AI반도체 글로벌 시장을 선점하는 한편, 시스템반도체 전반의 경쟁력 강화로 확산될 수 있도록 적극 지원하겠다”고 밝혔다.

한고은 기자  h9@wsobi.com

<저작권자 © 여성소비자신문, 무단 전재 및 재배포 금지>