삼성, '메모리+비메모리' 합친 꿈의 반도체로 세상 바꾼다

M램 인-메모리 컴퓨팅 세계 최초 구현
연구결과 영국 학술지 '네이처' 게재

삼성전자가 지난 2019년 출하한 내장형 M램 솔루션

[파이낸셜뉴스] 데이터를 저장하는 메모리와 연산을 수행하는 시스템반도체가 결합한 꿈의 반도체에 삼성전자가 한발 더 다가섰다. 현재는 연구 단계이지만, 약 5년 후에는 업계의 패러다임을 뒤흔들 완전히 새로운 개념의 인공지능(AI) 반도체가 탄생할 전망이다.

■반도체 공식 허문 삼성전자

삼성전자 연구진이 자기저항메모리(M램)를 기반으로 한 인-메모리(In-Memory) 컴퓨팅을 세계 최초로 구현하고, 연구 결과를 12일(현지시간) 영국 학술지인 '네이처'에 게재했다.

이번 연구는 삼성전자 종합기술원 정승철 전문연구원이 제1저자로, 함돈희 종합기술원 펠로우 및 하버드대학교 교수와 김상준 종합기술원 마스터가 공동 교신저자로 참여했다. 삼성전자 종합기술원, 반도체연구소, 파운드리사업부 연구원들도 공동으로 연구에 참여했다.

삼성전자 종합기술원은 5년 정도 뒤에 상용화할 미래 기술을 연구개발(R&D)하는 조직이다.

기존 컴퓨터는 데이터의 저장을 담당하는 메모리 칩과 데이터의 연산을 책임지는 프로세서 칩을 따로 나누어 구성한다.

인-메모리 컴퓨팅은 메모리 내에서 데이터의 저장뿐 아니라 데이터의 연산까지 수행하는 최첨단 칩 기술이다. 메모리 내 대량의 정보를 이동 없이 메모리 내에서 병렬 연산하기 때문에 전력 소모가 현저히 낮아, 차세대 저전력 AI 칩을 만드는 유력한 기술로 주목받고 있다.

저항메모리(R램)과 상변화메모리(P램) 등 비휘발성 메모리를 활용한 인-메모리 컴퓨팅의 구현은 지난 수년간 전 세계적으로 관심이 높은 연구 주제였다. 하지만 또 다른 비휘발성 메모리인 M램은 데이터 안정성이 높고 속도가 빠른 장점에도, 낮은 저항값을 갖는 특성 탓에 인-메모리 컴퓨팅에 적용해도 전력 이점이 크지 않아 구현되지 못했다.

정승철 삼성전자 종합기술원 전문연구원

■목표는 '사람의 뇌'

삼성전자 연구진은 이같은 M램의 한계를 기존의 '전류 합산' 방식이 아닌 새로운 개념의 '저항 합산' 방식의 인-메모리 컴퓨팅 구조를 제안, 저전력 설계에 성공했다.

연구진은 M램 기반 인-메모리 컴퓨팅 칩의 성능을 AI 계산에 응용해 숫자 분류에서는 최대 98%, 얼굴 검출에서는 93%의 정확도로 동작하는 것을 검증했다. 연구진은 새로운 구조의 M램 칩을 인-메모리 컴퓨팅으로 활용과 생물학적 신경망을 다운로드하는 뉴로모픽 플랫폼으로의 활용 가능성도 함께 제안했다. 인-메모리 소자 후보군의 마지막 퍼즐을 맞추는 동시에 소자 영역을 확대했다는 데 의미가 있다.

정 전문연구원은 "인-메모리 컴퓨팅은 메모리와 연산이 접목된 기술로 기억과 계산이 혼재된 사람의 뇌와 유사하다"며 "이번 연구가 향후 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술의 R&D에도 도움이 될 수 있을 것"이라고 말했다.

삼성전자는 초격차 메모리 기술 역량을 시스템 반도체 기술과 접목해 차세대 컴퓨팅 및 AI 반도체 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 확장해 나갈 계획이다.

AI 반도체는 중앙처리장치(CPU)+그래픽처리장치(GPU) 1세대→신경망처리장치(NPU) 2세대→뉴로모픽 3세대로 발전하고 있다. 뉴로모픽 반도체는 신 소자를 활용하고, 새로운 설계를 통해 사람의 뇌와 유사하게 동작하도록해 더욱 효율적인 프로세서를 지향한다.

2025년에는 혁신 설계 기반의 수백테라급 NPU가 다양한 산업에 활용되고, 장기적으로 신 소자 기반의 뉴로모픽 반도체가 실현될 것으로 업계는 보고 있다.

[e-mail] 김경민 기자