[Behind the CHIP] AI와 반도체: 인공지능 시대를 여는 핵심 기술

Behind the CHIP
삼성전자 반도체 뉴스룸에서 새롭게 진행하는 ‘Behind the CHIP’ 시리즈.
이번 시리즈는 9월부터 내년 1월까지 총 10회에 걸쳐 연재되며, 
5명의 IT/테크/지식 콘텐츠 전문 인플루언서가 직접 칼럼을 통해 반도체 생태계와
미래 산업을 통찰하는 흥미진진한 이야기를 전한다.
우리 일상과 밀접하게 맞닿아 있는 기술 트렌드를 인플루언서의 시선을 통해 알아보자.

인공지능(AI) 기술이 우리의 일상과 산업 전반에 큰 변화를 일으키고 있는 가운데 이 혁신의 중심에는 반도체 기술이 핵심으로 자리 잡고 있다. AI 연산을 최적화해 성능과 효율성을 극대화하는 데 반도체가 필수적인 요소이기 때문! 우리의 일상 속, 인공지능의 영향력이 커지는 만큼, 그 중심에 있는 AI 전용 반도체의 특징과 일반 CPU와의 차이점, 그리고 AI 학습과 추론 과정에서 반도체의 역할에 대해 자세히 알아보도록 하자.

AI 전용 반도체의 특징과 일반 CPU와의 차이점

CPU는 범용 프로세서로 다양한 작업을 처리할 수 있도록 설계되었지만, AI 연산은 주로 대규모 병렬 연산을 필요로 하기 때문에 AI 작업에는 비효율적이다. 이러한 한계를 보완하기 위해 만들어진 것이 바로 AI 전용 반도체인 NPU이다.

NPU는 AI 연산을 최적화한 프로세서로, 일반적인 중앙처리장치(CPU)와는 근본적으로 다른 설계와 기능을 가지고 있다. 인공 신경망 연산을 고속으로 처리할 수 있도록 설계되어 초당 1.9조 개의 연산(TOPS, Tera Operations Per Second)을 수행할 수 있음은 물론, 일반 CPU와 비교할 때 더 많은 병렬 처리 유닛을 가지고 있어 대량의 데이터를 동시에 처리할 수 있다.

이에 따라 AI 알고리즘의 실시간 처리가 가능해지며, 전력 효율성도 높아 실시간 AI 추론 작업을 처리하는 데 유용하다. 예를 들어, 삼성전자의 모바일 프로세서 ‘엑시노스’에 내장된 NPU는 이미지 인식과 품질 향상, 음성 인식 등의 AI 작업을 처리하는 데 활용되고 있다. 순차적인 명령을 실행하는 데 적합한 CPU와 데이터 중심의 구조로 설계되어 병렬 처리를 통해 대량의 데이터를 동시에 처리하는 NPU의 구조적 차이는 AI 연산의 속도와 효율성에 큰 영향을 미친다.

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AI 반도체의 핵심: GPU와 NPU

병렬식 구조의 반도체 중에서 NPU보다 선행된 것이 바로 GPU(Graphics Processing Unit)이다. 1990년대 중반부터 본격적으로 개발되기 시작한 GPU는 처음에는 주로 그래픽 렌더링 작업을 가속화하기 위해 설계되었지만, 그래픽 연산뿐만 아니라 벡터와 행렬 연산에도 뛰어난 성능을 발휘하면서 병렬 처리의 가능성을 보여주게 되었다. 이후 2000년대 후반부터 AI 및 병렬 처리 활용에 적극적으로 사용되기 시작해 최근 인공지능 붐과 함께, GPU의 부가가치는 더욱 높아졌다. 대표적으로 엔비디아의 A100 GPU는 약 542억 개의 트랜지스터를 가지고 있으며, 정밀도와 유형에 따라 조금씩 차이가 있지만 초당 624 테라플롭스의 성능을 제공한다. 이러한 성능은 복잡한 신경망 모델을 빠르게 훈련시키고 추론하는 데 큰 도움이 되기 때문에 데이터센터와 클라우드 환경에서 대규모 딥러닝 모델의 학습에 사용되고 있다. 반면 NPU는 AI와 딥러닝의 발전에 맞추어 등장한 최근 기술로, 스마트폰, 태블릿, IoT 디바이스 등 엣지 디바이스에서 실시간 AI 추론 작업을 처리하는 데 사용된다.

그렇다면 GPU와 NPU 중 AI 반도체에서 우위를 따진다면 어떤 것이 더 우선적일까?

GPU와 NPU 엄밀히 따지면 그 역할에 조금씩 차이가 있다. GPU는 대규모 데이터셋을 사용한 모델 학습에 강점을 가지고 있으며, NPU는 학습된 모델을 바탕으로 실시간 추론 작업을 수행하는 데 최적화되어 있다. 그 때문에 두 반도체는 AI 작업에서 상호 보완적인 역할을 한다. 이처럼 AI 전용 반도체는 AI 연산을 위한 최적화된 설계와 구조를 통해 일반 CPU보다 뛰어난 성능과 효율성을 제공하며 앞으로 그 중요성은 점점 더 부각될 것으로 예측된다.

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AI 시스템의 학습과 추론 과정에서 반도체의 역할은?

AI 시스템에서 반도체의 역할이 중요한 이유는 AI 시스템이 제대로 작동하기 위해 반드시 학습(Training)과 추론(Inference)이라는 두 가지 주요 과정을 거치기 때문이다.

학습 과정

AI 시스템의 학습 과정에서는 대량의 데이터를 사용해 AI 모델이 스스로 규칙과 패턴을 익혀야 한다. 예를 들어, 이미지 인식 AI 모델을 학습시키기 위해 수백만 장의 이미지를 모델에 입력하고, 각 이미지가 무엇을 나타내는지(예: 고양이, 개, 자동차 등)를 알려준다. 이 과정은 매우 많은 연산이 필요하며, 이때 중요한 역할을 하는 것이 바로 GPU이다.

추론 과정

반면 추론 과정에서는 학습된 AI 모델을 사용해 새로운 데이터를 분석하고 예측한다. 이는 학습한 내용을 실제로 적용하는 단계로, 예를 들어, 모델이 새로운 사진을 보고 그것이 고양이인지 개인지 판단하는 과정이다. 여기서 주목할 만한 것이 바로 NPU이다. NPU는 특히 추론 과정에서 빠른 반응 속도와 높은 에너지 효율성을 제공하기 때문에 실시간 데이터 처리를 할 수 있게 도와준다.

그러나 AI 연산에서 반도체의 역할이 중요해진 이유는 단순히 연산 속도를 높이는 것뿐만 아니라, 에너지 효율성을 극대화하는 것도 포함한다. AI 모델은 갈수록 복잡해지고, 처리해야 할 데이터가 증가함에 따라 연산량도 기하급수적으로 늘어나게 될 것이다. 이에 따라 전력 소모량이 매우 높아지는데, 이때 효율적인 반도체 설계는 AI 시스템의 성능을 높이는 동시에 에너지 소비를 줄이는 데 핵심적인 역할을 하게 된다.

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엣지 AI를 위한 저전력 고성능 반도체 기술

엣지 AI는 데이터를 클라우드로 전송하지 않고 디바이스 자체에서 처리하는 기술을 의미한다. 데이터가 로컬에서 처리되기 때문에, 데이터 유출의 위험이 줄어들고 프라이버시가 강화된다는 장점이 있다. 엣지 AI 기술은 현재 스마트 홈, 자율주행차, 헬스케어 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.  

스마트 홈에서는 IoT 디바이스가 엣지 AI를 통해 실시간으로 사용자 명령을 처리하고, 자율주행차는 주변 환경을 빠르게 인식해 안전한 주행을 가능하게 한다. 헬스케어 분야에서는 웨어러블 디바이스가 실시간으로 사용자 상태를 모니터링하고, 이상 징후를 감지해 경고를 보낼 수 있다.

반도체 기술은 엣지 AI 분야에서 실시간 AI 연산 처리와 보안을 강화하는 데 중요한 역할을 수행 중이다. 특히 모바일 프로세서는 사진이나 동영상의 화질을 개선하고, 실시간으로 텍스트 기반의 이미지를 생성하는 기능 등을 실현하면서, 전력 소모는 줄이고 성능은 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 엣지 AI를 위한 저전력, 고성능 반도체 기술은 우리의 일상과 다양한 산업 분야에 혁신을 가져올 것이다.

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뇌를 모방한 새로운 반도체: 뉴로모픽 칩

뉴로모픽 칩은 인간의 뇌 구조와 신경망을 모방한 반도체이다. 이는 기존의 반도체 아키텍처와는 다른 접근 방식을 취해, 보다 효율적이고 자연스러운 AI 연산을 가능하게 한다. 뉴로모픽 칩은 전통적인 디지털 연산 방식 대신 아날로그 신호 처리를 활용해 에너지 효율성을 극대화한다. 이는 뇌의 뉴런과 시냅스의 작동 방식을 모방한 것으로, 뉴런의 발화 패턴을 흉내 내 데이터를 처리한다. 이러한 방식은 특히 비정형 데이터 처리에 강점을 가지고 있으며, 딥러닝 알고리즘의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 뉴로모픽 칩은 학습과 추론을 동시에 수행할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 실시간 적응과 자율적인 데이터 처리가 가능하다. 이는 자율주행차, 드론, 로봇 등 실시간 반응이 중요한 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다.

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AI 반도체 발전이 가져올 미래 변화

AI 반도체의 발전은 다양한 분야에서 혁신을 일으킬 것이며 특히 고성능 AI 반도체의 실시간 데이터 처리와 높은 연산 능력으로 많은 산업과 일상생활에 큰 변화를 불러올 것이다. 삼성전자 반도체의 기술력은 이러한 변화를 가속화하는 데 중요한 역할을 하고 있다.

자율주행차

자율주행차는 고성능 AI 반도체를 통해 실시간으로 주변 환경을 분석하고 안전한 주행을 가능하게 한다. 자율주행차의 센서와 카메라가 수집하는 대량의 데이터를 실시간으로 처리하기 위해서는 높은 연산 성능과 저전력 소비가 중요하다. 자율주행차에는 반도체 2~3천개 이상이 탑재되고 있으며, 극한 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 높은 안전성 또한 요구된다.

삼성전자의 LPDDR(Low Power Double Data Rate) D램, GDDR(Graphics Double Data Rate) D램, AutoSSD(Solid State Drive), UFS(Universal Flash Storage) 등 차량용 반도체는 대량의 자율주행 데이터를 빠르게 처리하고, 저장해 보다 안전한 드라이빙 환경을 제공하고 있다. 또한 운전자에게 실시간 운행 정보와 고화질의 멀티미디어 재생, 고사양 게임 구동과 같이 엔터테인먼트적 요소를 지원해 최적의 모빌리티 경험을 제공한다.

의료 분야

우리는 AI 반도체를 통해 실시간으로 질병을 진단하고, 환자 데이터를 분석하여 맞춤형 치료를 제공받을 수 있다. 예를 들어, 웨어러블 디바이스에 탑재된 AI 반도체는 사용자의 건강 상태를 실시간으로 모니터링하고, 이상 징후를 감지하여 조기에 경고를 보낼 수 있다.

삼성전자는 헬스케어 분야에서도 AI 반도체 기술을 활용하고 있다. 삼성의 웨어러블 디바이스인 갤럭시 워치 시리즈는 심박수, 혈압, ECG(심전도) 등을 실시간으로 측정하고 분석할 수 있는 기능을 제공한다. 갤럭시 워치7은 3나노 공정을 적용한 엑시노스 W1000 탑재를 통해 빠르게 데이터를 처리한다.

스마트 홈과 IoT

삼성전자의 스마트싱스(SmartThings) 플랫폼은 가정 내 다양한 IoT 기기를 연결하고 제어하는 데 AI를 활용한다. 프로세서에 내장된 고성능 AI 엔진은 이러한 기기들이 실시간으로 데이터를 처리하고 사용자 명령에 즉각적으로 반응할 수 있게 한다.

예를 들어, 삼성전자의 패밀리 허브 냉장고는 내부 카메라로 음식물을 인식하고, AI를 통해 유통기한을 관리하거나 레시피를 추천할 수 있다. 또한, Neo QLED TV는 AI 업스케일링 기술을 사용하여 낮은 해상도의 콘텐츠를 선명하게 감상할 수 있도록 해주고, 사용자의 시청 습관을 분석하여 맞춤형 콘텐츠를 제공하는 등 이러한 기능은 고성능 반도체의 강력한 성능을 통해 가능해진 것이다.

‘Behind the CHIP’ ‘비하인드 더 칩’ Behind the CHIP

※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.