세계최초 저전력 기술 지능형 반도체 개발…"초거대 AI에 최적"(종합)
KAIST 유회준 교수팀 '트리플 모드 셀' 최초 개발…"D램을 AI 반도체로"
"AI 연산서 세계 최고 수준 에너지 효율"…삼성 파운드리서 칩 생산
D램 메모리 셀 내부에서 직접 인공지능(AI) 연산을 수행하며 연산 성능과 전력 효율을 높인 아날로그 PIM(Process in Memory: 지능형 반도체) 기술이 국내에서도 개발됐다.
특히 우리 연구진은 하나의 메모리 셀에서 메모리, 연산기, 데이터 변환 기능을 지원하는 '트리플 모드 셀'을 세계 최초로 개발, 적용함으로써 효율성 차원에서 진보한 아날로그 PIM 기술을 선보였다는 평가다.
이는 챗GPT 등 초거대 AI 경쟁의 관건인 '저전력 연산'을 가능하게 하는 기술이어서 주목된다.
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PIM(Process in Memory) 반도체 개념도 [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]
과학기술정보통신부는 14일 한국과학기술원(KAIST) 유회준 교수 연구팀이 국내 최초로 D램 메모리 셀 내부에 연산기를 집적해 인공지능 연산을 수행하는 PIM 반도체 '다이나플라지아(DynaPlasia)'를 개발했다고 밝혔다.
'다이나플라지아'라는 명칭은 D램을 기반으로 필요에 따라 하드웨어 구조를 형성해 다양한 인공지능 모델을 처리한다는 의미를 담고 있다.
PIM 반도체는 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 것으로, 데이터 병목 현상과 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있어 초거대 AI 시대를 구현할 차세대 반도체로 꼽힌다.
기존에 개발된 PIM 반도체는 대부분 셀 하나에 8개 이상 트랜지스터가 필요한 방식(SRAM-PIM)이거나 D램 기반이더라도 연산기를 셀 내부가 아닌 외부에 배치하는 방식(디지털 PIM)이었다.
이번에 개발된 다이나플라지아는 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적한 아날로그 방식으로, 연산 성능과 에너지 효율이 획기적으로 올라간다고 과기정통부는 설명했다.
특히 셀 내부 연산 과정에서 손실되는 전류를 줄여 아날로그 연산을 수행하는 '누설전류 내성 컴퓨팅' 방식을 썼다.
모든 메모리 셀이 병렬로 동작할 수 있어 기존 디지털 PIM 방식 대비 15배 높은 데이터 처리량을 나타냈다.
또 이번 연구에서 세계 최초로 개발된 '트리플 모드 셀'은 실제 인공지능 연산에 맞춰 하드웨어 구조가 만들어지는 것으로, 기존 아날로그형 PIM 반도체보다 2.5배, 챗GPT가 쓰는 그래픽처리장치(GPU) 대비 7배 높은 효율성을 보였다.
이는 AI 연산에서 세계 최고 수준의 에너지 효율 달성이라고 과기정통부는 설명했다.
이번 연구는 과기정통부의 'PIM 반도체 핵심기술 개발' 사업을 통해 설립된 'PIM 반도체 설계연구센터'에서 진행됐고, 결과는 지난달 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
아울러 이번에 개발된 기술을 적용한 칩은 삼성전자[005930] 파운드리 공정에서 생산됐다.
연구를 지휘한 유회준 KAIST 전기전자공학부 교수는 "삼성 반도체 공정에는 메모리와 로직(파운드리) 공정 두 가지가 있는데, 개방적인 로직 공정을 통해서는 당장이라도 상용화가 가능하다"고 설명했다.
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ISSCC(국제고체회로설계학회)에서 연구성과 발표하는 KAIST 김상진 박사과정 [과기정통부 제공. 재판매 및 DB 금지]
유 교수는 "개발한 기술을 삼성과 SK하이닉스[000660]가 마음껏 열람하고 필요하면 활용하도록 하고 있다"며 "파견된 삼성과 하이닉스 엔지니어가 같이 살피고 필요하면 기술 지원하는 방식"이라고 설명했다.
윤두희 과기정통부 정보통신방송기술정책과장은 "상용화되면 챗GPT와 같은 메모리 기반 연산에 가장 가까운 반도체"라며 "우리나라가 세계 최고인 D램은 재고 이슈가 생기면 영업이익이 떨어지는 문제가 있는데, D램을 최근 수요가 넘치는 AI 반도체로 변신시킬 수 있는 기술"이라고 말했다.
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