이제 막 도입되고 있는 인공 지능 서비스들이 확장하고 안착하는데 필수 적인 반도체, 아이언맨에 등장하는 자비스처럼 완전히 개인화한 인공지능 서비스의 기반이 되는 반도체, 자율 주행 & 스마트 시티를 포함한 전반적인 영역에 필요한 반도체 산업의 패러다임을 바꿀 반도체인 뉴로모픽 반도체에 대해 소개하겠습니다.
목차
뉴로모픽 반도체란?
뉴로모픽의 뜻
우리가 쉽게 접하고 알고 있는 시스템 반도체는 주로 CPU ( Central Process Unit), GPU (Graphic Process Unit), NPU (Neural Process Unit) 등으로 이름에 Process Unit이라는 명칭이 붙습니다. 하지만 오늘 소개할 반도체는 Neuron과 Morphic을 합쳐 뉴로모픽 (neuromorphic)이라고 불립니다. 이름을 풀어 뜻을 유추해보자면 결국 '뉴런을 닮은', '뉴런을 뜻하는'이 되고 이는 결국 인간의 뇌를 모사한 반도체라는 뜻이 됩니다. 그럼 우리가 인간의 뇌를 반도체로 만드려고 하는 이유는 무엇일까요?
인간의 뇌가 작동하는 방식과 성능
인간의 뇌에는 약 1000억개가 넘는 '뉴런'이라는 신경세포가 있습니다. 그리고 이 신경세포들은 시냅스라는 연결고리를 통해 신호를 전달합니다. 반도체에 비유하면 이때 뉴런은 연산을 담당하는 핵심 부품인 '코어'로 말할 수 있는데, 1000억 개가 탑재되어 있으므로 매우 고성능의 기관이라고 할 수 있습니다. 하지만 엄청난 성능을 지녔음에도 구동에 필요한 에너지는 매우 적은 편입니다. 뉴런 1000억 개는 병렬처리 방식으로 연산 1000조 회를 진행할 수 있는 성능이고, 24시간을 가동했을 때 필요한 에너지는 약 24W, 밥 한 공기 열량이면 충분합니다. 결국 이것을 반도체 용어로 표현하면 초고성능 & 초저전력 연산 장치가 됩니다.
뉴로모픽 개발의 목적
뉴로모픽을 개발하는 이유를 사용처와 기능에 따라 구분해 볼 수 있습니다.
| Data 센터 | Edge Device | |
| 훈련 | CPU + GPU + NPU | ? |
| 추론 | CPU + GPU + NPU | NPU |
Data 센터의 경우 훈련과 추론이 모두 진행되는 복합적인 방식으로 운영됩니다. 따라서 CPU/GPU/NPU를 모두 다양하게 사용하여 구성하게 됩니다. 하지만 Edge Device 즉 지극히 개인화된 인공지능 서비스나 사회 전반의 다양한 영역까지 적용되기 위해서는 고민이 필요합니다. 그 예로 스마트 폰에는 간단한 인공지능 연산을 수행 할 수 있는 뉴럴 엔진이 탑재되어 있습니다. On Device AI라고 해서 카메라 어플 등에도 내장되어 있습니다. 스마트 폰의 통신이 끊겨도 수행되는 기능입니다. 하지만 과연 이 것이 충분한가?라고 물어본다면 그렇지 않습니다. 특히 자율 주행 서비스의 경우 시시각각 교통 상황은 변하고, 돌발적인 안전사고 등에 대비해야 하는데 On Device AI로는 어렵습니다. 그렇다고 Data Center와 지속적인 통신으로 이를 극복하기에는 위험합니다. 따라서 이 모든 영역을 커버할 수 있는 반도체로 뉴로모픽이 떠오르는 것입니다.
뉴로모픽의 핵심 기술
연산과 저장이 통합된 PIM ( Process In Memory) 기술입니다. 기존의 방식은 연산-저장이 따로 진행되며 이 사이 병목현상이 항상 문제가 되었습니다. 아무리 Process Unit이 뛰어나고 Memory의 발전이 이루어져도 여전히 문제를 완전히 극복하긴 어렵습니다. 하지만 Process in Memory가 제안됨에 따라 시간, 전력 손실을 더
욱 줄일 수 있습니다.
메모리 센트릭 시대?
리서치 엔 마켓에 따르면 뉴로모픽 시장의 규모는 2020년 23억 달러에서 연 평군 22.4% 성장할 것으로 기대되며 2027년 약 104억 달러로 예상된다고 합니다. 또한 뉴로모픽 개발만을 목표로 한 스타트업도 생겨나고 있습니다. 메모리 반도체 역시 중요한 변화를 맞이하고 있습니다. 연산(시스템) 반도체는 대부분의 미국 회사들이 주도하고 있습니다. 우리가 주로 알고 있는 엔비디아(NVIDIA), 퀄컴(Qualcomm), AMD 등이 대표적입니다. 하지만 메모리 반도체는 삼성전자, SK 하이닉스가 선도하고 있습니다. 뉴로모픽은 기존의 연산 반도체와는 다릅니다. 쉽게 말해 연산장치와 메모리반도체를 합친 개념이 됩니다. 일각에서는 메모리가 반도체의 중심이 되는 메모리 센트릭 컴퓨팅 시대에 대한 전망을 내보이기도 합니다.
삼성전자는 HBM-PIM 개발을 발표했으며,SK 하이닉스 역시 차세대 지능형 반도체 PIM, GDDR6-AiM 개발을 발표한 바 있습니다.
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