챗GPT 특화 AI 반도체 첫 성과...카이스트, 트리플-모드 셀 PIM 반도체 개발

[스마트에프엔=황성완 기자] 카이스트(KAIST) 연구진이 챗GPT 특화용 인공지능(AI) 반도체 개발에 성공했다. DRAM(디램) 메모리 안에서 인공지능(AI) 연산처리가 가능한 PIM(Processing In Memory 기술과 디램 셀에 메모리, 연산기, 데이터 변환기 기능 3가지를 구현했다. 이에 따라 AI 등의 데이터 저장장치로 활용되는 기존의 ‘디지털 PIM’ 대비 속도는 빨라졌고 전력 소모량은 줄었다.

과학기술정보통신부는 유회준 카이스트 교수 연구팀이 디램 메모리 셀 내부에 AI 연산을 수행하는 PIM반도체인 '다이나플라지아(DynaPlasia)'를 개발했다고 14일 밝혔다. 다이나플라지아는 DRAM 기반으로 '필요에 맞춰'(Plasia) 하드웨어를 만들 수 있는 기술이다. 면적이 크지 않은 반도체로, 필요에 맞춰 어디든 설계할 수 있다는 것이다.

PIM은 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체다. 메모리와 프로세서가 분리되어 있는 기존 컴퓨팅 구조에서 발생하는 데이터 병목현상과 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 것이 특징이다.

과기정통부에 따르면 그동안 다양한 PIM이 개발됐지만, 대부분 셀 하나에 트랜지스터가 8개 이상 필요했다. DRAM 기반으로 PIM을 구현하더라도 연산기를 메모리 셀 어레이 외부에 배치해야 했다. 이는 메모리 셀 내부에 연산기가 있는 경우보다 집적 연산성능이 떨어지는 한계가 됐다. 이번에 연구팀이 발표한 다이나플라지아는 DRAM-PIM 기반 AI 반도체, 3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성했다. 메모리 셀 내부에 연산기를 집적하고 높은 병렬성과 집적도, 연산 기능을 향상시켰다. 연구 결과 기존 디지털 DRAM-PIM 방식 대비 약 300배 높은 병렬성으로, 15배 높은 데이터 처리량을 나타냈다.

특히 다이나플라지아는 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원할 수 있는 '트리플 모드 셀'을 구현했다. 실제 AI 연산에 맞춰 하드웨어 구조를 형성할 수 있으며 기존 아날로그형 PIM보다 2.5배 가량 높은 효율성을 보였다.

이번 연구는 과기정통부 ‘PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계)’ 사업을 통해 설립된 ‘PIM반도체 설계연구센터’에서 진행됐으며, 지난달 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

유회준 카이스트 교수는 "이번 연구는 기존 인공지능 반도체가 가지고 있던 메모리 병목현상을 해소할 뿐만 아니라, 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 DRAM-PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다"며 "본격적인 상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 인공지능 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것"이라고 강조했다.

황성완 기자 skwsb@smartfn.co.kr