세계 최초 '트리플 모드 셀' PIM반도체 개발

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 유회준 교수팀이 세계 최초로 DRAM 메모리 셀 내부에 직접 프로세서(CPU)까지 함께 들어가 인공지능(AI) 연산이 가능한 지능형반도체(PIM 반도체) '다이나플라지아(DynaPlasia)'를 개발했다. 다이나플라지아는 기존 PIM반도체보다 연산처리속도가 15배 빠르며, 아날로그 회로 방식이어서 병렬성이 300배 높아졌다.

유회준 교수는 14일 "다이나플라지아는 기존 AI 반도체가 가지고 있던 메모리 병목현상을 해소할 뿐만아니라, 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 DRAM-PIM"이라며 "본격적인 상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 AI 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것"이라고 말했다.

세계적인 반도체 기업들은 AI반도체의 전력문제를 해결하기 위해 미세공정을 도입해 왔다. 28나노에서 5나노, 3나노까지 미세공정을 도입해 전력소모를 줄여왔다.

이후 기업들과 학계에서는 3나노라는 물리적 한계에 도달해 PIM반도체로 눈을 돌리기 시작했다.

PIM 반도체는 하나의 칩 내부에 메모리와 CPU를 함께 들어가 있는 차세대 반도체다. 기존 PIM 반도체는 대부분 셀 하나에 8개 이상의 트랜지스터가 필요한 SRAM-PIM 방식이거나, DRAM 기반 PIM으로 만들어졌더라도 프로세서를 메모리 셀 어레이 외부에 근접 배치하는 디지털 PIM 방식이었다. 메모리와 CPU간 거리를 줄이고 대역폭을 넓혀 데이터 병목현상을 줄였지만 메모리 셀 내부에 직접 CPU를 넣어 연산성능을 올리지는 못했다.

다이나플라지아는 아날로그형 DRAM-PIM 기반 AI 반도체로 3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성했다. 메모리 셀 내부에 CPU를 넣어 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 기존 디지털 DRAM-PIM 방식 대비 약 300배 높은 병렬성으로 15배 높은 데이터 처리량을 보인다.

또한, 기존 아날로그형 PIM 반도체에서는 메모리와 연산기, 그리고 아날로그-디지털 데이터 변환기를 별도로 구현해 고정된 하드웨어 구조였다. 연구진은 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원할 수 있는 '트리플-모드 셀'을 개발했다.

다이나플라지아는 예를들어 100만개의 셀이 집적돼 있다면 메모리가 많이 필요할 경우, 셀 99만개는 메모리 역할을 할 수 있다. 또 1만개가 CPU 역할을 하다가 계산을 많이 해야 될 경우에는 메모리 역할을 하는 셀을 줄일 수 있는 셈이다.

한편, 유회준 교수는 새로 개발한 다이나플라지아를 지난달 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자