1개의 셀에서 메모리·연산·데이터변환 지원
처리속도 15배, 에너지 효율 2.5배 높아져
국내 연구진이 기존보다 처리속도가 15배 빠른 AI 반도체를 개발했다.
과학기술정보통신부는 KAIST(한국과학기술원) 유회준 교수 연구팀이 국내 최초로 DRAM 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 AI 연산을 수행하는 PIM 반도체 ‘다이나플라지아(DynaPlasia)’를 개발했다고 밝혔다. 다이나플라지아는 D램을 기반으로 필요에 맞춰 하드웨어 구조를 형성해 다양한 인공지능 모델을 처리 가능하다.
‘PIM(Processing-In-Memory)’은 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체로 메모리와 프로세서가 분리되어 있는 기존 컴퓨팅 구조에서 발생하는 데이터 병목현상과 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있다.
기존에도 PIM 반도체가 개발되기는 했지만 대부분 셀 하나에 8개 이상의 트랜지스터가 필요한 SRAM-PIM으로 연산기를 메모리 셀 어레이의 내부가 아닌 외부에 근접하게 배치하는 디지털 PIM(Near Memory PIM) 방식이었다.
‘디지털 PIM’ 방식은 메모리와 연산기 사이의 거리를 줄이고 대역폭을 넓혀 데이터 병목현상은 감소했지만 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 연산 성능을 개선하지는 못했다. 과기정통부는 "PIM 반도체 기술은 메모리 반도체 기술에 강점을 보유한 한국이 앞서나갈 수 있는 잠재력이 높은 분야"라고 평가했다.
이번에 유회준 교수팀이 개발한 ‘다이나플라지아’는 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 향상시켰다.
뿐만 아니라 누설전류 내성 컴퓨팅을 통해 모든 메모리 셀들이 병렬로 동작할 수 있도록 해 데이터 처리속도를 높였다. 다이나플라시아는 기존 디지털 DRAM-PIM 방식보다 약 300배 높은 병렬성으로 15배 많은 데이터 처리량을 나타냈다.
특히 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기 기능을 동시에 지원할 수 있는 ‘트리플-모드 셀’을 개발했다. 다이나플라시아는 모델 구조에 맞춰 동적으로 하드웨어 구조를 형성하여 높은 에너지 효율을 보인다.
기존 아날로그형 PIM 반도체는 연산 회로 자체의 잠재적 성능이 높더라도 고정된 하드웨어 구조로 인해 실제 AI 연산에서는 모델에 따라 성능이 저하돼 적용이 어려웠다. 하지만 ‘다이나플라지아’는 ‘트리플-모드 셀’을 이용해 실제 AI 연산에 맞춰 하드웨어 구조를 형성하는 동적 코어 형성 아키텍처를 통해 기존 아날로그형 PIM 반도체보다 2.5배 가량 높은 효율성을 보인다.
이번 연구는 과기정통부 ‘PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계)’ 사업을 통해 설립된 ‘PIM반도체 설계연구센터(PIM-HUB)’에서 진행됐으며 지난달 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.
유 교수는 “이번 연구는 기존 AI 반도체가 가지고 있던 메모리 병목 현상을 해소할 뿐만 아니라, 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 DRAM-PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다”며 “본격적인 상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 AI 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것”이라고 설명했다.
