"D램 메모리 내부에서 AI 연산수행"…KAIST, 차세대 PIM반도체 개발(종합)

기사내용 요약
KAIST, D램 메모리 내부서 AI 연산 수행 'PIM 반도체 기술 개발
세계 최고 수준 D램 활용법 제시…칩 생산은 삼성 파운드리 활용

[세종=뉴시스] 강종민 기자 = 유회준 한국과학기술원(KAIST) 교수가 14일 세종시 정부세종청사에서 국내 최초로 DRAM 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 인공지능 연산을 수행하는 PIM 반도체인 '다이나플라지아'를 개발했다고 밝히고 있다. 2023.03.14. ppkjm@newsis.com

[서울=뉴시스] 심지혜 기자 = 메모리 반도체 안에서 연산 처리를 할 수 있는 반도체가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 쉽게 말해 D램이 인공지능(AI) 반도체 역할까지 자유자재로 할 수 있게 된 것이다. 이는 특히 AI반도체의 관건인 ‘전력 효율성 제고’를 가능하게 해 챗GPT 등 초거대AI 시장에 대응할 기술로 주목된다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원(KAIST) 유회준 교수 연구팀이 국내 최초로 D램 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 AI 연산을 수행하는 PIM(Processing-In-Memory) 반도체인 다이나플라지아(DynaPlasia) 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

다이나플라지아는 D램을 기반으로 필요에 맞춰 하드웨어 구조를 형성해 다양한 인공지능 모델을 처리 가능하다는 의미다.

PIM은 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체다. 메모리와 프로세서가 분리돼 있는 기존 컴퓨팅 구조(폰 노이만 구조)에서 발생하는 데이터 병목 현상 및 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있다.

[서울=뉴시스] PIM 발전 방향. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

기존 개발된 PIM 반도체는 대부분 셀 하나에 8개 이상의 트랜지스터가 필요한 방식(SRAM-PIM)이거나, D램 기반 PIM으로 구현됐더라도 연산기를 메모리 내부가 아닌 외부에 근접하게 배치하는 디지털 PIM(Near Memory PIM) 방식이었다.

이러한 디지털 PIM 방식은 메모리와 연산기 사이의 거리를 줄이고 대역폭을 넓혀 데이터 병목현상은 해소했으나 연산성능을 올리지는 못했다.

이번 개발한 다이나플라지아는 메모리 셀 내부에 인공지능에 필요한 연산기를 집적한 아날로그형 D램-PIM 기반 AI 반도체다.

셀 내부 곱셈 로직에서 누설전류의 영향을 없앤 뒤 아날로그 연산을 수행하는 ‘누설전류 내성 컴퓨팅’을 통해 모든 메모리 셀들이 병렬로 동작할 수 있도록 했다. 이는 기존 디지털 D램 PIM 반도체 대비 데이터 처리량이 15배 높다.

윤두희 과기정통부 정보통신방송기술정책과장은 “챗GPT와 같은 초거대AI가 활성화 되면서 데이터센터에 수많은 AI반도체가 들어간다”며 “문제는 전력소모가 많다는 것”이라고 설명했다.

이어 “그동안에는 이같은 문제를 해결하기 위해 미세 공정을 도입해왔으나 3나노 이하부터는 한계에 봉착했다”고 말했다.

[서울=뉴시스] 우리 연구팀이 개발한 다이나플라지아는 셀 하나에 3개의 트랜지스터만을 사용해 높은 집적도와 처리량을 달성하고, 병렬 연산으로 높은 처리량를 달성했다. 또한 트리플-모드 셀은 목적에 따라 연산기와 메모리 사이에서 동적 리소스 전환으로 더욱 속도를 향상 시킬 수 있다. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

일례로 그동안에는 부산에 있는 메모리 데이터가 서울에 있는 연산 담당 CPU에 왔다 갔다 해야 해 전력 소모가 컸다. 기존 PIM 반도체는 이런 문제를 해결하기 위해 CPU 옆집에 메모리를 옮겼다면 이번 기술은 연산이 메모리 안에 들어있는 구조로 바꾼 것이다.

이뿐 아니라 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원할 수 있는 ‘트리플-모드 셀’ 기술을 세계 최초로 개발했다.

기존 아날로그형 PIM 반도체는 메모리, 연산기, 그리고 아날로그-디지털 데이터 변환기를 별도로 구현한 고정된 하드웨어 구조를 사용하는 방식이었다. 이로 인해 실제 인공지능 연산에서는 모델에 따라 성능 저하가 발생해 적용이 어려웠다.

다이나플라지아는 트리플-모드 셀을 이용, 효율성이 2.5배 가량 높다.

이번에 개발한 기술을 적용한 칩은 삼성전자 파운드리 공정에서 생산됐다. 유 교수는 “외부용이라 파운드리 공정을 이용한 것”이라며 “실제 메모리 공정에도 즉시 적용 가능하다”고 말했다.

이어 “삼성전자와 SK하이닉스에게도 우리 기술을 개방했다”고 덧붙였다.

윤 과장은 "우리나라의 D램은 세계 최고 수준이지만 재고에 민감하다“며 ”이번 기술은 D램을 최근 수요가 넘치는 AI 반도체로 변신시킬 수 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 과기정통부 PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계) 사업을 통해 설립된 PIM반도체 설계연구센터(PIM-HUB)에서 진행했다. 지난달 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

[세종=뉴시스] 강종민 기자 = 김상진 한국과학기술원(KAIST) PIM반도체 설계연구센터 연구원이 14일 세종시 정부세종청사에서 국내 최초로 DRAM 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 인공지능 연산을 수행하는 PIM 반도체인 '다이나플라지아'를 설명하고 있다. 2023.03.14. ppkjm@newsis.com

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