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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 반도체의 미래

기사입력 : 2019년02월18일 08:00

최종수정 : 2019년02월25일 13:18

인공지능 가능케 하는 '퍼셉트론' 아십니까?

현재 인공지능의 핵심으로 등장하는 딥러닝 알고리즘은 퍼셉트론(Perceptron)이라고 불리는 인공 신경망 모형에 기초하고 있다.

김정호 카이스트 교수

퍼셉트론은 인공신경망의 한 종류로서, 1957년에 코넬 항공 연구소의 프랑크 로젠블라트(Frank Rosenblatt)에 의해 고안됐다.

이것은 가장 간단한 인공 신경망의 형태로 동물의 신경계를 본 따서 고안되었다. 이러한 퍼셉트론의 동작 방식은 지금 인공지능 딥러닝의 기초가 된다.

퍼셉트론에서 각 노드의 가중치와 입력치를 곱한 것을 모두 합한 값이 활성함수에 의해 판단되는데, 그 합한 값이 임계치를 넘으면 뉴런이 활성화 되고, 그 신호가 다음 단계로 전달된다. 뉴런이 활성화되지 않으면 신호는 다음 단계로 전달되지 않는다.

딥러닝으로 표현되는 최근 인공지능 구조는 이러한 퍼셉트론을 기본 구조로 해서 여러 층의 연결망을 이룬다.

인공지능 기초 단위인 퍼셉트론 (Perceptron)의 구조. [출처=Towards Data Science]

4차 산업혁명 시대의 디지털 데이터는 묶음 형태로 존재한다. 영상 데이터 형태가 그렇고 빅데이터 자체가 그렇다. 그래서 인공지능이 다루는 입출력 데이터는 ‘벡터’ 혹은 다차원 ‘행렬’ 형태를 갖게 된다. 인공지능을 컴퓨터 소프트웨어 코드로 구현하는 과정을 보면, 그 과정에서 수 많은 ‘벡터’ 혹은 ‘행렬” 데이터를 곱하고 더하기를 반복한다고 볼 수 있다. 퍼셉트론 기능에 곱셈과 덧셈이 필요하기 때문이다.

그런데 한 개의 A 행렬과 다음 B 행렬이 곱해질 때, 하나 하나 숫자가 순서대로 곱해지는 것이 아니라 동시에 이루어 진다. 그리고 더해서 수많은 퍼셉트론 배치 자체가 병렬적이고 학습 계산 자체가 병렬적이다. 그 결과 인공지능 알고리즘 구현과정에서 필요한 다차원 디지털 행렬의 곱셈, 덧셈 과정은 매우 병렬적이다. 그래서 기존의 영상 신호 병렬 처리에 유리한 그래픽 프로세서(GPU) 반도체가 요즈음 인공지능 계산에 편리하게 사용되고 있다.

이러한 배경으로 미래의 인공지능 프로세서를 AIP(Artificial Intelligence Processor) 라고 부른다면 이 인공지능 반도체에서는 데이터 병렬 처리 기능이 최대화 되는 구조가 되어야 한다고 본다. 거기에 더해서 계산과정에서의 결과를 메모리 소자에 빠르게 기억해야 한다. 그래서 처리 속도를 높이기 위해서는 물리적으로 기억 소자의 위치가 프로세서에 병렬적이면서도 동시에 극단적으로 더욱 근접하게 배치되어야 한다. 그래서 병렬처리 성능이 지금의 GPU보다 100 배 이상 향상되어야 한다.

또한 계산과 기억을 하기 위해 걸리는 지연시간(Latency)도 지금보다 100 분의 1 이상으로 줄여야 한다. 다음으로 전력 소모가 지금의 100 분의 1 이하로 줄여져야 한다. 그래야 인공지능 컴퓨터가 배터리로 구동되는 자율주행자동차, 손안의 컴퓨터인 스마트폰 안으로 들어올 수 있다. 그래야 4차 산업혁명이 완성된다.

 

인공지능 반도체의 두 가지 발전 방향

이러한 미래 인공지능 반도체의 요구 조건을 만족하기 위해서는 필자는 두 가지 개발 방향을 제시한다.

이 두 가지 방향으로 GPU 와 메모리 사이의 지속적이고 극단적 병렬화 방법과 퍼셉트론의 개념을 반도체 내부 회로나 소자로 구현하는 방법이다.

먼저, 가장 먼저 가능성이 높고 10년 내로 활발히 개발과 사업화가 진행될 방향은 GPU 프로세서와 디램(DRAM) 메모리의 급격한 병렬화 확대이다. 현재의 대표적인 인공지능 반도체인 HBM(High Bandwidth Memory)의 경우 지금은 GPU와 디램 사이의 연결선의 개수가 약 1000 개 수준이다. 미래에는 이 병렬 연결선이 십 만개, 백 만개까지 증가해서 지금보다 병렬화 수준을 더 급속하게 늘려야 한다.

그러기 위해서는 반도체의 구조가 지금의 2차원 구조에서 3 차원 구조로 진화해야 한다. 연결선의 구조 자체도 3차원이 되고, 연결선 기판도 실리콘이 되어야 한다. 연결선 하나가 초당 100 기가비트(100GBps) 이상 보낼 수 있는 전자파 도파관 구조로 변해야 한다. 이를 통해서 계산 속도도 늘리면서 동시에 전력소모와 시간 지연을 줄일 수 있다. 경우에 따라 메모리 위에 프로세서가 설치되는 PIM(Processor In Memory) 구조가 3차원적으로 적층될 수 있다.

클라우드 컴퓨팅 시스템과 인공지능 서버용 프로세서는 이러한 구조로 발전해야 한다고 본다. 이렇게 되면 기존의 프로세서 주류가 CPU, AP(Application Processor), GPU 에서 3D HBM 과 PIM이 결합된 구조로 진화할 가능성이 크다. 또한 자율주행자동차, 가전기기 등에도 사용될 전망이다. 구글 TPU(텐서 프로세서 유닛), IBM, 마이크로소프트, 엔비디아 기업 계열은 이 방향으로 인공지능 반도체 기술 개발을 추진할 것으로 예측한다.

병렬화가 극단적으로 증가하는 미래 인공지능 반도체의 발전 방향. [출처=KAIST]

 

인공지능 클라우드 서버에 사용되는 구글 TPU 모듈 사진, [출처=Wired]

다음의 방법은 인공지능 핵심 소자인 퍼셉트론을 실리콘 반도체 내부의 회로(Circuit)나 소자(Device)로 구현하는 방향이다. 프로세서와 메모리가 분리되지 않고 한 곳에 복합된다.

그러려면 간단한 행렬 계산과 더하기가 반도체 내부 회로나 소자 자체적으로 수행 가능해야 한다. 간단한 기억 소자도 같이 있어야 한다. 그리고 이러한 간단한 계산 회로와 기억 소자가 마이크로미터 단위(100 만 분의 1 미터)의 크기로 반도체 공간 안에 같이 구현할 수 있어야 한다. 그러니 신 소자와 신 물질이 개발되어야 한다. 이 방법이 구현되면 병렬 데이터가 외부 메모리로 들락거리지 않아도 되기 때문에 병렬성이 더욱 극대화 되면서 동시에 전력 소모, 시간 지연 문제가 해결 될 수 있다. 이러한 시도의 대표적 인공지능 반도체를 뉴로모픽칩(Neuromorphic Chip)이라고 부르기도 한다.

이 인공지능 반도체는 전력 소모가 작아야 하는 손안의 핸드폰으로 인공지능이 들어가는데 꼭 필요한 반도체이다. 스마트 IoT 센서에도 필요한 인공지능 반도체이다. 이러기 위해서는 현재의 실리콘 프로세서나 메모리가 갖고 있는 소자 구조와 물질 그리고 공정이 혁신적으로 바뀌어야 한다.

하지만 이 구조의 단점은 속도가 느리고, 인공지능 알고리즘과 프로그램을 마음대로 바꿀 수 없어 시스템 유연성(Flexibility)이 크게 약화된다. 그래서 응용 분야의 제한이 있을 수 있다. 대표적인 스마트폰 관련 회사인 삼성전자, 애플, 화웨이(Huwawei), 퀄텀 등에서 적극적으로 개발할 필요가 있는 방식이다. 다만 연구와 개발에 장기간이 소요될 전망이다.

반도체 회로와 소자를 이용해 구현하는 인공지능 반도체 뉴로모픽칩, [출처=IEEE Spectrum]
반도체 내부 아날로그 회로를 이용해서 퍼셉트론을 구현하는 인공지능 반도체, [출처=KAIST]


인공지능 반도체는 새로운 기회

미래 인공지능 반도체 방향으로 제시한 두 가지 방향은 각각 장단점을 갖고 있다. 알고리즘 구현의 유연성(Programmability), 현재 기술의 성숙도, 성능, 전력소모, 대량 생산 인프라의 존재 여부, 시장의 크기, 가격, 수율, 안전성에 따라 어느 방법이 더 유망하고 실현 가능한지 달라질 전망이다. 필자는 단기적으로는 병렬화가 증가한 3D HBM-PIM 구조가 당분간 인공지능 프로세서 시장을 주도할 것으로 전망한다. 그리고 장기적으로는 물질과 공정의 혁신으로 새로운 저전력 인공지능 반도체가 나타날 것으로 본다. 이 단계가 되면 모든 사물에 인공지능 기능이 들어가게 된다.

삼성전자, SK 하이닉스로 대표되는 한국 반도체 산업은 반도체 메모리로 집중 성장해 왔다. 4차 산업혁명의 중심인 빅데이터를 기록하기 위해, 그리고 인공지능 서버에는 반도체 메모리의 성능 요구 조건이 계속 증가하고 있다. 또한 그 수요도 지속적으로 증가할 전망이다. 하지만 4차 산업혁명 시대의 또 다른 반도체 산업 성장하는 기회가 바로 ‘인공지능 반도체’이다. 창의적이고 혁신적인 기술 투자와 인력 양성을 통해서 이 절호의 기회를 잡을 수 있어야 한다. 인텔, IBM, AMD, 엔비디아를 뛰어 넘는 인공지능 프로세서 기업이 한국에서 나오기를 고대한다. 새로운 기회의 땅이다.

인공지능 반도체 개발에 투자하고 있는 대표적 글로벌 기업들, [출처=KAIST]

 

joungho@kaist.ac.kr   


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

 

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소고기 콕 집은 트럼프...축산농 반발 [세종=뉴스핌] 이정아 기자 = 다음 달 1일 한국에서 생산돼 미국으로 수입되는 모든 제품에 '25% 상호관세' 부과를 앞둔 상황에서 한미 간 막판 협상에 돌입했다. 이번 협상에서 미국은 30개월령 이상 미국산 소고기 수입 제한 철폐를 강하게 요구하며 한국을 압박하고 있다. 정부는 미국 측의 압박으로 30개월령 이상 미국산 소고기 수입 허용 등 농축산물 비관세장벽 카드를 협상테이블에 올리는 방안을 고심 중이다. 다만 농민단체의 반발과 국민 신뢰가 흔들릴 것으로 예상되면서 '제2의 광우병 사태'가 재현되는 것 아니냐는 우려도 제기된다.  ◆ 美, 30개월령 이상 소고기 압박…韓, 농산물 카드 검토 28일 정부에 따르면 도널드 트럼프 미국 대통령은 호주가 미국산 소고기를 개방했다는 점을 연일 언급하며 한국에도 같은 수준의 개방을 요구하고 나섰다.  도널드 트럼프 대통령은 지난 24일(현지시간) 소셜미디어인 트루스소셜에 "호주가 미국산 소고기를 받아들이기로 합의했다"며 "이제 우리는 호주에 (미국산) 소고기를 많이 팔 것"이라고 게시했다. 도널드 트럼프 미국 대통령.[사진=로이터 뉴스핌] 2025.07.25 mj72284@newspim.com 이어 "우리의 훌륭한 소고기를 거부하는 다른 나라들도 (개방) 요구를 받은 상태"라며 "이 좋은 흐름을 이어가자. 지금은 미국의 황금기"라고 덧붙였다. 트럼프 대통령은 소고기 개방을 거부하는 국가를 구체적으로 명시하지는 않았지만, 관세협상을 앞둔 한국을 겨냥한 것 아니냐는 해석이 나왔다. 제이미슨 그리어 미국 무역대표부(USTR) 대표와 브룩 롤린스 미국 농무부 장관 또한 트루스소셜을 통해 "지난 20년간 비과학적인 무역 장벽 때문에 우리 소고기가 호주 소비자들에게 판매되지 못했다는 것은 터무니없다"는 성명을 발표했다. 이들은 "미국 농축산업자들은 세계에서 가장 안전하고 건강한 소고기를 생산하고 있다"며 "USTR은 불공정한 무역 관행을 타파하고 미국 국민이 주요 시장에 배제되지 않도록 미국의 무역 파트너들과 계속 협상할 것"이라고 밝혔다. 미국이 협상을 진행하는 국가를 대상으로 연일 30개월 이상 소고기 개방을 압박하면서, 한국도 소고기 카드를 협상 테이블에 올릴지 여부를 검토 중이다.  김용범 대통령실 정책실장은 지난 25일 한미 관세협상과 관련해 "협상 품목 아래 농산물도 포함돼 있다"며 "농업이나 디지털 분야는 제이미슨 그리어 미 무역대표부(USTR) 대표와 여한구 통상교섭본부장 간 협상이 계속 이어지고 있다"고 전했다. 당초 정부는 한미 관세협상에서 농업분야 보호를 우선으로 두고, 30개월령 이상 미국산 소고기 개방 등 비관세 장벽을 해소할 카드를 협상 테이블에 올리지 않기로 방침을 정한 바 있다. 한 대형마트의 미국산 쇠고기 진열대 모습 <뉴스핌 DB> 그러나 지난 25일(현지시간) 미국 워싱턴DC에서 열릴 예정이었던 한미 고위급 '2+2 통상협의'가 스콧 베센트 미국 재무장관의 일정 사유로 전날 취소되면서 미국이 한국의 협상 태도에 불편을 느낀 것 아니냐는 지적이 나왔다. 앞서 미국은 우리나라에 대해 25%의 상호관세를 부과하는 행정명령에 서명했다. 이는 오는 8월 1일부터 적용되며, 한미 양국은 관세 협상을 진행 중이다. 트럼프 행정부는 한국에 대해 ▲30개월령 이상 미국산 쇠고기 수입 허용 ▲쌀 시장 추가 개방 ▲유전자변형(LMO) 감자·사과 검역 완화 등을 강하게 요구하고 있다. ◆ 농민단체 "관세협상에 농업 희생양 삼지 말아야"…대정부 투쟁 돌입 정부로서는 30개월령 이상 미국산 소고기 수입에 대해 민감하게 반응할 수밖에 없다. 우선 한국은 현재도 미국산 소고기의 최대 수입국이다. 지난해 미국산 쇠고기 수입액은 22억1000만달러로 집계됐다. 전체 수입액(38억4700만달러) 대비 57.4%를 차지한다. 미국산 쇠고기 수입액은 지난 2004년 1억300만달러에서 2012년 5억2200만달러, 2016년 10억3500만달러로 20억달러를 넘기다 2022년에는 26억2400만달러로 역대 최대치를 기록했다. 지난해까지의 연평균 증가율은 17.5%다. 이재명 대통령 [사진=대통령실] 우리나라는 이른바 '광우병 파동' 이후 30개월령 미만 미국산 소고기만 수입하고 있다. 지난 2008년 한미 쇠고기 협상이 타결됐고, 우리 정부가 30개월령 이상 미국산 소고기까지 수입한다는 사실이 알려지자 이에 반대하는 촛불집회가 전국적으로 열렸다. 당시 이명박 정부 지지율은 취임 2개월 만에 20%대로 폭락했고, 결국 정부는 미국과 소고기 협상을 일부 재협상했다. 다시 말해 현재 국내 소비자들은 30개월령 이상 미국산 소고기 섭취에 대해 안전하지 못하다는 인식이 기반에 깔려 있다. 또 우리나라 연간 쌀 저율관세할당(TRQ) 물량은 40만8700톤으로, 미국 물량이 이중 13만2304톤(32%)을 차지한다. 쌀 개방은 WTO 규약에 묶여 있기 때문에 한미 양자 간 협상체계가 불가능하다. 다만 미국이 소고기 등 농산물 개방을 미루는 국가에 더 높은 관세를 부과할 계획이라는 점을 연일 강조하면서 국익 측면에서 조선·철강·반도체 등 산업을 보호하고 농산물을 희생해야 하지 않겠냐는 의견도 나온다. 농민단체는 정부의 기류에 대거 반발하고 있다. 한국농축산연합회, 한국종합농업단체협의회, 축산관련단체협의회, 농민의길 등 농축산업 단체는 이날 용산 대통령실 앞에서 결의대회를 개최하고 대정부 투쟁에 나선다. 이들 단체는 "미국산 농축산물은 이미 한미 FTA로 전면개방을 한 마당에 관세 추가 인하 및 비관세장벽까지 철폐된다면 농민 생존권 말살과 함께 국내 농업생산 기반 붕괴는 시간문제일 것"이라며 강하게 규탄한다. 이어 "미국산 소고기에 대한 수입연령 제한과 사과에 대한 식물검역은 국내법과 WTO 등 국제협정 등에 따른 정당한 조치이며, 국민건강과 직결된 것으로 절대 포기해선 안 되는 문제"라며 "농축산물을 협상대상에서 제외해 식량주권과 국민건강권을 반드시 사수할 것"을 정부에 촉구했다. 단체 관계자는 "한미 관세협상 추이를 예의주시하면서 요구가 묵살될 경우 대대적인 추가 농민항쟁을 벌이겠다"고 예고했다. [서울=뉴스핌] 이형석 기자 = 3일 오후 서울 여의도 국회 본청 계단에서 열린 더불어민주당 쌀값정상화법 공포 촉구 결의대회에서 참석자들이 피켓을 들고 구호를 외치고 있다. 2023.04.03 leehs@newspim.com plum@newspim.com 2025-07-28 12:49
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SPC "8시간 넘는 야간근무 없앤다" [서울=뉴스핌] 최원진 기자= SPC그룹이 27일 대표이사 협의체인 'SPC 커미티'를 열고 장시간 야간 근로를 폐지하고, 앞으로 생산직의 야근 시간을 8시간 이내로 제한하기로 했다고 밝혔다. SPC그룹은 야간 생산이 불가피한 일부 필수 품목을 제외하고, 가능하면 야간 가동 자체를 줄여나가겠다는 방침이다. 그룹 관계자는 "8시간 초과 야근 폐지를 위해 △인력 확충 △생산 품목 및 생산량 조정 △라인 재편 등 전반적 생산 구조를 완전히 바꿀 계획이다. 각 (계열)사별 실행 방안을 마련해 10월1일부터 전면 시행한다"고 설명했다. 이재명 대통령이 지난 25일 경기 시흥시 SPC 삼립 시흥 공장에서 열린 산업재해 근절 현장 노사간담회에서 발언을 하는 모습. [사진=대통령실]  주간 근무 시간 역시 단계적으로 단축해 장시간 노동에 따른 피로 누적과 사고 위험을 사전에 차단한다는 계획이다. 또한 이번 근무체계 전환이 현장에서 안정적으로 정착될 수 있도록 노조와 협의를 병행하고, 내부 교육 및 매뉴얼 정비 작업도 함께 추진할 예정이다. SPC는 "생산 현장의 장시간 야간 근로에 대한 지적과 우려를 무겁게 받아들여 근무 형태를 비롯한 생산 시스템 전반에 대한 개혁을 추진하기로 했다"며 "앞으로 근로자 안전이 최우선시되는 일터를 만들 수 있도록 적극 개선하고 투자하겠다"고 밝혔다. 이번 결정은 지난 25일 이재명 대통령이 SPC삼립 시화공장을 직접 찾아 현장 간담회를 주재하며 야간 노동과 과도한 업무 강도를 지적한 데 따른 것이다.  이 대통령은 지난 5월 SPC 시화공장에서 발생한 여성 노동자 사망 사고와 관련해 "수십 년이 흘렀지만 여전히 현장에서 노동자가 죽고 있다"며 "같은 방식의 사고가 반복되는 건 심각한 문제"라고 강하게 비판했다. 이어 "돈과 비용 때문에 안전과 생명을 희생하는 구조라면 반드시 바뀌어야 한다"며 "이번을 계기로 산재 사망률을 줄이기 위한 현실적이고 구체적인 대책이 마련되길 바란다"고 강조했다. 이날 간담회에는 김영훈 고용노동부 장관, 김용범 정책실장, 문진영 사회수석 등 청와대 주요 인사들이 배석했으며, SPC 측에선 허영인 회장과 김범수 SPC삼립 대표, 김지형 컴플라이언스위원장, 김희성 안전보건총괄책임자, 김인혁 노조위원장 등이 참석했다. CJ푸드빌, 크라운제과 등 타 식품업체의 현장 책임자들도 함께 자리를 했다. wonjc6@newspim.com 2025-07-27 13:22
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