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D램 메모리 안에서 연산까지...KAIST, '메모리+AI반도체' 개발

연산과 저장 기능이 분리되지 않은 뇌처럼 D램 메모리 안에 연산 기능을 함께 구현한 PIM 반도체가 개발됐다. 챗GPT와 같은 거대 인공지능 모델을 낮은 전력으로 가동할 수 있다. 과학기술정보통신부는 KAIST 전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀이 D램 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 인공지능(AI) 연산을 수행하는 PIM 반도체 '다이나플라지아'를 개발했다고 14일 밝혔다. PIM(Processor In Memory)은 칩 안에 메모리와 프로세서 연산기를 한데 모은 차세대 반도체다. 현재 쓰이는 폰노이만 컴퓨팅 구조는 메모리와 연산기(CPU)를 분리해 두고 명령어와 데이터를 필요에 따라 주고받는 방식이라 처리 용량이 커질수록 데이터 병목과 전력 소모 문제가 커진다. PIM은 메모리와 연산 장치가 함께 있어 이같은 문제를 해결할 수 있다. 기존 PIM은 연산기가 메모리 셀 어레이 안이 아니라 외부에 가까이 있는 형태다. 거리가 가까워져 데이터 병목과 전력 손실을 상대적으로 줄일 수 있지만, 완전히 메모리 안에 포함된 것은 아니다. 또는 셀 하나에 트랜지스터가 8개 이상 필요한 S램 PIM 방식이라 집적도를 높이기 어렵다. 이번에 개발한 다이나플라지아는 3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성했다. 셀 내부에 연산기를 집적하고, 에너지 효율이 높은 아날로 연산 방식을 이용해 집적도와 연산 기능을 모두 높였다. 전류 누설을 막아 모든 메모리 셀들이 병렬로 동작할 수 있게 함으로써 데이터 처리량을 기존 PIM에 비해 15배 향상시켰다. 또 이 PIM 반도체는 하나의 셀이 메모리와 연산기, 아놀로그-디지털 데이터 변환기의 기능을 모두 지원하는 '트리플-모드 셀'을 구현했다. 실제 AI 연산 상황에 맞춰 메모리가 많이 필요하면 메모리로 동작하는 셀의 비중을 높이고, 연산 능력이 많이 필요하면 연산기로 동작하는 셀의 비중을 높이는 식이다. 메모리와 연산기, 변환기의 하드웨어 구조가 고정되어 있어 상황에 맞춰 대응하지 못 하고 자원 낭비가 발생하는 기존 PIM 반도체의 문제를 해결했다. 이같은 동적 코어 형성 아키텍처로 기존 아날로그형 PIM 반도체보다 효율이 2.5배 올렸다. 이번 연구는 과기정통부 'PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계)' 사업을 통해 설립된 'PIM반도체 설계연구센터(PIM-HUB)'에서 진행됐다. 지난달 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다. 유회준 교수는 “이번 연구는 기존 인공지능 반도체의 메모리 병목현상을 해소할 뿐만 아니라, 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 D램 PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다"며 "본격적인 상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 인공지능 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것"이라고 말했다. 과기정통부 전영수 정보통신산업정책관은 "PIM 반도체 기술은 메모리 반도체 기술에 강점을 보유한 우리나라가 앞서나갈 수 있는 잠재력이 높은 분야"라면서 "글로벌 최고 수준의 초고속·저전력 인공지능 반도체를 개발할 수 있도록 하드웨어 뿐 아니라 국산 인공지능 반도체를 데이터센터에 적용하기 위해 필요한 소프트웨어 및 클라우드 관련 기술 개발까지 지원을 아끼지 않겠다"고 밝혔다.

2023.03.14 15:41한세희

차선용 SK하이닉스 부사장 "메모리+프로세서, AI 컴퓨팅 혁신 이룰 것"

메모리 반도체에 연산 기능을 더한 '프로세싱 인 메모리'(PIM)가 메모리 반도체 한계를 뛰어넘으면서도 환경 친화적인 기술로 급부상하고 있다. 차선용 SK하이닉스 부사장은 8일 서울 삼성동 코엑스에서 열린 국제전기전자공학회(IEEE) 학술대회에서 '인공지능(AI) 컴퓨팅 시대의 메모리 혁신'을 주제로 이같이 발표했다. 차 부사장은 “D램과 낸드플래시 성능이 계속 확장되겠지만 동시에 다음 컴퓨팅 시대에 대비하기 위해 새로운 제품이 도입될 것”이라며 PIM을 소개했다. PIM은 연산할 수 있는 AI 프로세서를 메모리 반도체에 더한 제품이다. 메모리 반도체 자체에서 간단한 연산을 하면 중앙처리장치(CPU)로 이동하는 정보가 줄기에 효율적이다. AI 기술이 발전해 정보량이 늘면서 정보 정체를 해소할 기술로 유용하다. 차 부사장은 “메모리 모듈에 처리장치를 넣으면 시스템 속도와 전력 효율을 높일 수 있다”고 말했다. 또한 PIM을 쓰면 전력 소모량은 줄어들어 환경 보호에 기여할 수 있다. 차 부사장은 “메모리 반도체 산업은 환경 문제에 책임져야 한다는 생각을 해야 한다”며 “2020년부터 10년 동안 반도체 실리콘 원판(Wafer) 생산량이 8% 늘면서 탄소 배출량은 4배 증가할 것”이라고 주장했다.

2023.03.08 14:37유혜진

삼성·SK도 '챗GPT'에 주목...AI 반도체 개발 집중

삼성전자와 SK하이닉스가 '챗GPT'를 비롯한 인공지능 대화 로봇(AI Chatbot)이 열 새로운 메모리 반도체 시장 수요에 주목하고 있다. 16일 반도체 업계에 따르면 박정호 SK하이닉스 부회장은 전일 서울 광화문 프레스센터에서 열린 한림대 도헌학술원 개원 기념 학술 발표회에서 “화제의 중심인 챗GPT를 시작으로 많은 기업이 AI 챗봇 서비스에 뛰어들었다”며 “앞으로 이게 반도체 수요를 부를 새로운 '킬러 애플리케이션(Killer application)'이 될 것”이라고 말했다. 그러면서 “챗GPT 같은 AI 기술이 진화하면 세계적으로 데이터 생성·저장·처리량이 기하급수적으로 늘어날 것”이라고 내다봤다. 김재준 삼성전자 부사장은 지난달 31일 열린 지난해 4분기 실적발표 컨퍼런스콜에서 '챗GPT 같은 AI 기반 처리 기술이 메모리 반도체 수요에 어떤 영향을 줄 것 같느냐'는 물음에 “자연어 기반 대화형 인공지능 서비스가 미래 메모리 반도체 수요에 긍정적일 것”이라며 “인공지능이 학습하고 추론하려면 대량 연산할 수 있는 고성능·고용량 메모리 반도체가 필수”라고 답했다. 이들 회사는 AI 반도체 시장을 선점하려고 차세대 제품도 내놨다. 삼성전자는 고대역폭메모리(HBM)에 연산 기능을 더한 'HBM-프로세싱인메모리(PIM)'를 개발했다. HBM2 '아쿠아볼트'에 인공지능 엔진을 탑재했다. 기존 HBM2보다 성능이 2배 좋아진 반면 전력 소비량은 70% 줄었다고 삼성전자는 소개했다. HBM2 아쿠아볼트는 2018년 1월 삼성전자가 양산한 2세대 고대역폭 메모리 반도체다. HBM은 1세대(HBM)-2세대(HBM2)-3세대(HBM2E)-4세대(HBM3) 순으로 개발됐다. SK하이닉스는 초고속 D램 HBM을 내세웠다. 박 부회장은 “SK하이닉스가 개발한 HBM이 AI 시대에 큰 역할을 하고 있다”며 “SK하이닉스는 세계에서 처음으로 HBM3를 양산해 엔비디아에 납품했다”고 전했다. HBM은 D램 여러 개를 수직으로 연결해 기존 D램보다 정보 처리 속도를 끌어올린 제품이다. HBM3는 HBM 4세대 제품으로, 초당 데이터 처리 속도는 819GB다. 미국 인공지능 연구소 오픈AI가 챗GPT를 선보였고, 마이크로소프트(MS)는 이를 인터넷 검색 '빙(bing)'에 적용했다. 이에 질세라 세계 최대 검색 엔진 업체 구글도 '바드(Bard)'를 공개했다. 중국 1위 포털사이트 바이두도 다음 달 AI 챗봇을 출시하기로 했다. 네이버는 상반기 한국판 챗GPT '서치GPT'를, 카카오는 올해 대화형 AI를 내놓 계획이다. 미국 시장조사업체 마켓앤마켓은 세계 챗봇 시장 규모가 2026년 105억 달러(약 13조원)에 이를 것으로 추정했다.

2023.02.16 15:18유혜진

KAIST 한 연구실서 반도체 국제학회 최우수논문상 4명 동시 배출

반도체 설계 분야 국제 학술대회에서 KAIST 한 연구실 4명이 동시에 최우수논문상을 받는다. KAIST는 전기및전자공학부 김정호 교수가 지도하는 테라 랩 소속 김성국·최성욱·신태인·김혜연 박사과정 학생 4명이 디자인콘(DesignCon)이 선정한 2022년 최우수 논문상 수상자로 선정됐다고 16일 밝혔다. 반도체 패키지·설계 분야의 권위있는 학술대회로 꼽히는 디자인콘의 최우수논문상 8명 중 절반이 한 연구실에서 나온 것이다. 인텔·마이크론·램버스·텍사스인스트루먼트·AMD·화웨이·IBM·앤시스(ANSYS) 등 글로벌 빅테크 기업과 주요 대학 연구원들과 경쟁해 얻은 성과라고 학교측은 밝혔다. 시상식은 31일 미국 실리콘밸리 산호세 산타클라라 컨벤션센터에서 열리는 '디자인콘 2023 국제학술대회'에서 열린다. 김성국 학생은 고성능 인공지능 가속기를 위한 고대역폭 메모리 기반 프로세싱-인-메모리(PIM) 아키텍처를 설계했다. 최성욱 학생은 강화학습 방법론을 활용해 HBM을 위한 하이브리드 이퀄라이저를 설계했다. 신태인 학생은 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템의 신호 무결성 모델링과 설계 및 분석 방법론을 제안했다. 김혜연 학생은 반도체 설계 문제 중 디커플링 캐패시터 배치 문제를 조합 최적화 문제로 정의하고 오프라인 학습 방법인 모방 학습을 통해 자동 최적화했다. 김혜연 학생은 이번 수상 논문 이외에도 반도체 설계 문제에 지식 증류·데이터 증강·대칭성 학습 등 다양한 인공지능 기법을 적용, 한층 성능이 개선된 결과를 얻은 바 있다. 테라 랩은 인공지능(AI)이 스스로 최적 설계를 구현하는 머신러닝 기술과 3D 이종반도체 패키징 기술을 결합, 슈퍼컴이나 데이터센터 서버에 쓰이는 고대역폭 메모리(HBM) 등 차세대 AI 반도체를 연구한다. 김정호 교수는 "2030년 이후에는 이종 칩을 하나의 패키지로 통합하는 3D 이종 집적화(Heterogeneous Integration) 패키징 기술이 대세로 자리를 잡을 것"이라며 "디지털 대전환(DX) 시대를 맞아 반도체의 역할이 갈수록 중요해지는 만큼 차세대 반도체 개발에 필요한 맞춤형 인재 양성을 위해 더욱 노력하겠다"라고 밝혔다.

2023.01.16 10:39한세희

양자·반도체‧슈퍼컴 등 ICT 원천연구개발에 1천500억 투자

양자컴퓨터와 차세대 반도체, 초고성능 컴퓨터와 초전도 등 전략 기술 분야에 대한 정부 R&D 투자가 확대된다. 과학기술정보통신부는 지난해보다 1.7배 늘어난 1천 557억원 규모의 2023년도 ICT원천연구개발사업 시행계획을 확정, 추진한다고 12일 밝혔다. 4개 분야에서 총 17개 사업이 진행되며, 예산 중 530억원은 신규사업에 지원된다. 양자컴퓨팅 분야에선 지난해 착수한 50큐비트 양자컴퓨터 개발‧구축 사업의 1단계 목표인 20큐비트 양자컴퓨터를 조기 시연한다. 민관 파트너십을 기반으로 소재개발용 양자시뮬레이터를 구축하고 양자이득 실증 프로젝트에 착수한다. 양자대학원도 1곳 신설한다. 엑사스케일 시대를 대비한 초고성능컴퓨팅 생태계 기반 마련을 위해 국가 초고성능컴퓨터 6호기 구축에 착수하고, 전문화된 활용을 지원할 SW원천기술 개발도 신규 추진한다. 반도체 분야에선 기존 공공분야 팹을 활용해 설계전공 학생들에게 설계‧검증 기회를 제공하고 전산 시스템으로 연계하는 사업이 실시된다. 중장기 한우물 파기 연구 지원을 통해 기업 난제를 해결하고 미래 원천기술을 확보하기 위한 국가반도체 연구실 사업도 신규 추진된다. 초전도 분야는 기존 기술의 난제 해결이 가능한 무절연 고온초전도 기술에 대한 4개 형상별 마그넷 핵심 기술과 설계·선재의 공통기술 연구개발을 지속 지원한다. 구혁채 과기정통부 기초원천연구정책관은 "글로벌 기술패권 경쟁 시대에 국가의 경쟁력을 좌우할 핵심기술에서 우위를 점하기 위해 양자‧반도체 등 국가전략기술 투자를 확대하면서, 유망기술의 지속적 탐색 및 적극적 지원도 강화할 계획”이라며 "연구개발 투자뿐 아니라 전략적 사업 관리 및 성과 창출 등 전주기적 지원을 통해 효과적인 정책이 될 수 있도록 노력하겠다"라고 밝혔다.

2023.01.12 12:00한세희