[에브리뉴스=김종열 기자] 국내 첫 인공지능(AI) 연산 수행 PIM반도체가 개발됐다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원 유회준 교수 연구팀이 국내 최초로 DRAM 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 AI 연산을 수행하는 PIM 반도체인 ‘다이나플라지아’를 개발했다고 14일 밝혔다.

PIM(Processing-In-Memory)이란 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체다. 이를 통해 메모리와 프로세서가 분리돼 있는 기존 컴퓨팅 구조(폰 노이만 구조)에서 발생하는 데이터 병목현상과 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있다.

기존에도 PIM 반도체가 개발되기는 했지만, 대부분 셀 하나에 8개 이상의 트랜지스터가 필요한 SRAM-PIM 방식이었다. 또 기존 PIM과 같이 DRAM 기반 PIM으로 구현됐더라도 연산기를 메모리 셀 어레이의 내부가 아닌 외부에 근접하게 배치하는 디지털 PIM 방식이었다. 

디지털 PIM 방식은 메모리와 연산기 사이의 거리를 줄이고 대역폭을 넓혀 데이터 병목현상은 감소했지만, 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적하여 연산성능을 올리지는 못했다. 

연구팀이 발표한 다이나플라지아는 아날로그형 DRAM-PIM 기반 AI 반도체로 3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성했다. 메모리 셀 내부에 연산기를 집적하고 높은 병렬성과 에너지 효율의 아날로그 연산 방식을 이용해 집적도와 연산기능을 획기적으로 향상했다.

또 누설전류 내성 컴퓨팅을 통해 모든 메모리 셀들이 병렬로 동작할 수 있도록 해 기존 디지털 DRAM-PIM 방식 대비 약 300배 높은 병렬성으로 15배 높은 데이터 처리량을 보인다.

아울러 기존 아날로그형 PIM 반도체에서는 메모리와 연산기, 아날로그-디지털 데이터 변환기를 별도로 구현해 고정된 하드웨어 구조를 사용했는데 이번 연구에서는 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원할 수 있는 ‘트리플-모드 셀’을 개발했다.

이와 함께 기존 아날로그형 PIM 반도체는 연산 회로 자체의 잠재적 성능이 높더라도 고정된 하드웨어 구조로 인해 실제 AI 연산에서는 모델에 따라 성능이 저하돼 적용이 어려웠다. 

그러나 다이나플라지아는 트리플-모드 셀을 이용해 실제 AI 연산에 맞춰 하드웨어 구조를 형성하는 동적 코어 형성 아키텍처로 기존 아날로그형 PIM 반도체보다 2.5배 가량 높은 효율성을 얻는다.

이번 연구는 과기정통부 ‘PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계)’ 사업을 통해 설립된 ‘PIM반도체 설계연구센터(PIM-HUB)’에서 진행됐다. 지난달 미국 샌프란시스코에서 열린 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

유회준 KAIST 전기및전자공학부 교수는 “이번 연구는 기존 AI 반도체가 가지고 있던 메모리 병목현상을 해소할 뿐만 아니라 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 DRAM-PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다”며 “본격적인 상용화에 성공하면 더욱 거대해지고 다양해지는 AI 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것”이라고 말했다.

전영수 과기정통부 정보통신산업정책관은 “PIM반도체 기술은 메모리 반도체 기술에 강점을 보유한 우리나라가 앞서나갈 수 있는 잠재력이 높은 분야”라며 “글로벌 최고 수준의 초고속·저전력 AI 반도체를 개발할 수 있도록 하드웨어뿐 아니라 국산 AI 반도체를 데이터센터에 적용하기 위해 필요한 소프트웨어 및 클라우드 관련 기술개발까지 적극적인 지원을 아끼지 않겠다”고 전했다.

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