뉴로모픽 반도체란 무엇인가? - 인공지능 AI 반도체?

인공지능에 대한 주목도가 높아갈수록 이를 뒷받침해 주는 하드웨어, 조금 자세히 들어가 보면 반도체에 대한 관심도 같이 높아집니다. 이와 같은 현상을 반영하듯 GPU 업체인 엔비디아의 주가가 급등하고 있습니다. 이러한 상황에서 인공지능에 한 단계 더 밀착된 구조를 가지고 있다고 평가되는 '뉴로모픽' 반도체가 있다고 합니다. 오늘은 이에 대해 얘기해 보겠습니다.

 

 

뉴로모픽 반도체란?

뉴로모픽 반도체는 일반적으로 인간의 뇌 구조와 기능을 모방하여 만들어진 반도체라고 합니다. 기존의 반도체와 달리 뉴런과 시냅스를 기반으로 작동하며, 에너지 소비도 훨씬 적은 차세대 반도체입니다.

 

기존에 만들어지던 반도체와의 차이점을 표로 정리해 보면 아래와 같습니다.

 

구분	뉴로모픽 반도체	기존 반도체
구조	인간 뇌의 구조 모방	폰 노이만 구조
정보처리 방식	뉴런과 시냅스 기반	CPU, GPU 기반
학습 능력	데이터 처리 과정에서 지속적 학습	학습 기능 제한적
에너지 효율	낮은 전력 소비	높은 전력 소비
병렬 처리	다수의 뉴런 동시 처리	순차적 처리
장점	인공지능 응용 분야 최적화	다양한 분야에 활용
단점	초기 개발 단계, 소프트웨어 부족	전력소비가 상대적으로 높음

 

기존의 반도체로 만드는 컴퓨터는 20세기의 수학자이자 물리학자인 폰 노이만이 고안한 전자계산기 구조로 되어있습니다. 크게 보면 연산을 하는 CPU와 저장장치인 메모리로 나뉘어 있고, 이 두 부품 간은 '버스'라고 불리는 선으로 연결하여 상호작용을 하도록 되어있습니다.

 

 

인공지능 학습을 위해서는, 이 구조 위에서 원래는 그래픽 처리를 위해 만들어진 GPU의 도움을 받아 소프트웨어적으로 구현을 해 놓았습니다. 그러다 보니 학습을 위해 슈퍼컴퓨터와 같이 컴퓨터 시스템 자체를 엄청나게 크게 만들고, 많은 전기를 소모시키면서 학습을 시키고 있습니다. 현재 OpenAI가 운영하고 있는 chatGPT의 학습을 위해 어마어마한 자원이 소모되고 있다는 것은 익히 알려진 사실입니다.

 

뉴로모픽 반도체는 기본적으로 신경망회로로 구성이 되어있어, 폰노이만 구조와 같은 연산기능과 메모리 기능을 분리할 필요가 없습니다. 또한, 기존 구조에서 학습을 위해 GPU의 도움을 받던 것을 뉴로모픽 반도체는 자체적으로 수행할 수 있으므로, 기본적으로 소비되는 전력을 훨씬 줄일 수 있습니다. 인공지능의 학습에는 대규모의 행렬 계산이 필요하지만, 뉴로모픽 반도체가 기본적으로 가진 구조는 이러한 행렬 계산을 빠르게 할 수 있는 구조로 되어있으므로 인공지능 학습에 최적화되어 있다고 볼 수 있습니다.

 

아직도 우리가 사용하는 거의 모든 컴퓨터 시스템은 폰 노이만 구조로 되어있으며, 뉴로모픽 반도체로 구성하는 시스템은 기업의 연구소 단계에서 그 가능성을 테스트해 보는 단계정도에 와 있습니다.

 

개발 진행 상황

삼성전자는 2024년 2월 뉴로모픽 반도체의 세계적인 권위자인 하버드 대학교 함돈희 교수를 SAIT(구 삼성종합기술원)의 부원장으로 선임했습니다. 함 교수를 영입함으로 해서 이 분야의 주도권을 장악하려는 시도를 하고 있습니다. GPU 최강자 엔비디아도 병렬처리를 강화한 뉴로모픽 반도체를 개발 중인 것으로 알려져 있습니다. 이 외에도 IT 분야의 공룡 기업들도 속속 이 분야에 뛰어들고 있습니다.

 

 

 

머신러닝이 대규모 언어모델을 기반으로 하는 charGPT가 인간과 비슷한 학습을 하는 것을 실제로 보여주었으므로, 뉴로모픽 반도체의 수요가 급증할 것이라는 것은 어느 정도 검증이 되었다고 하겠습니다. 하지만, 아직 기업의 연구실에서 테스트하는 단계로 진행되고 있고, 각자가 엄격한 보안을 통해 그 진행정도를 통제하고 있어, 얼마나 상용화에 가까이 왔는지를 정확히 점치기는 어려운 상황입니다.

 

전망

실제 뉴로모픽 반도체가 제품으로 출시될 경우 먼저 적용될 수 있는 분야는 인공지능 학습과 이미지 인식 부분일 것으로 예상됩니다. 시장 예측기관인 Research & markets에 따르면 2030년까지 뉴로모픽 반도체의 시장규모는 32억 달러로 연평균 86%의 고성장을 이어갈 것으로 예상됩니다.

 

인공지능 성장 속도를 더 빠르게, 더 효율적으로 뒷받침해 줄 뉴로모픽 반도체가 아직은 초기 단계에 있지만, chatGPT가 세상을 놀라게 한 것처럼, 대규모 언어모델의 학습에 기반이 되어준다면, 한 단계 더 놀라운 기술의 진보를 볼 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

 

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