D램을 AI반도체로?…세계 최초 트리플-모드 셀 PIM반도체 나왔다

KAIST, D램 메모리 셀 내부에서 인공지능 연산 수행

하나의 메모리 셀서 메모리·연산기·데이터 변환 지원

[서울=뉴시스] PIM 발전 방향. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 심지혜 기자 = 메모리 반도체인 D램이 인공지능(AI) 반도체 역할까지 자유롭게 할 수 있도록 하는 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다. 기존에는 연산기를 메모리 아래 집적한 방식이라 연산기 숫자가 제한됐다. 이제는 메모리 셀마다 연산기가 집적돼 처리량과 효율성이 더 높아졌다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원(KAIST) 유회준 교수 연구팀이 국내 최초로 D램 메모리 셀 내부에 직접 연산기를 집적해 AI 연산을 수행하는 PIM(Processing-In-Memory) 반도체인 다이나플라지아(DynaPlasia) 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

다이나플라지아는 D램을 기반으로 필요에 맞춰 하드웨어 구조를 형성해 다양한 인공지능 모델을 처리 가능하다는 의미다.

PIM은 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체로, 메모리와 프로세서가 분리되어 있는 기존 컴퓨팅 구조(폰 노이만 구조)에서 발생하는 데이터 병목 현상 및 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있다.

기존에도 PIM 반도체가 개발되기는 했지만, 대부분 셀 하나에 8개 이상의 트랜지스터가 필요한 방식(SRAM-PIM)이거나, 기존 PIM과 같이 D램 기반 PIM으로 구현됐더라도 연산기를 메모리 셀 어레이(Array)의 내부가 아닌 외부에 근접하게 배치하는 디지털 PIM(Near Memory PIM) 방식이었다.

이러한 디지털 PIM 방식은 메모리와 연산기 사이의 거리를 줄이고 대역폭을 넓혀 데이터 병목현상은 해소했으나 연산성능을 올리지는 못했다.

[서울=뉴시스] 우리 연구팀이 개발한 다이나플라지아는 셀 하나에 3개의 트랜지스터만을 사용해 높은 집적도와 처리량을 달성하고, 병렬 연산으로 높은 처리량를 달성했다. 또한 트리플-모드 셀은 목적에 따라 연산기와 메모리 사이에서 동적 리소스 전환으로 더욱 속도를 향상 시킬 수 있다. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

이번에 연구팀이 발표한 다이나플라지아(DynaPlasia)는 아날로그형 D램-PIM 기반 AI 반도체다.

3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성, 메모리 셀 내부에 연산기를 집적했다. 그리고 인공지능 연산에 필요한 연산기를 아날로그 회로로 구현하는 방식을 이용해 집적도와 연산기능을 끌어올렸다.

또 누설전류 내성 컴퓨팅을 통해 모든 메모리 셀들이 병렬로 동작할 수 있도록 했다. 이는 기존 디지털 D램-PIM 방식 대비 병렬성이 약 300배 높아 데이터 처리량이 15배 높다.

기존 아날로그형 PIM 반도체와는 메모리, 연산기, 그리고 아날로그-디지털 데이터 변환기를 별도로 구현해 고정된 하드웨어 구조를 사용하는 방식이라는 점에서 다르다.

개발을 주도한 유회준 KAIST 전기·전자공학부 교수는 "AI 반도체를 위해서는 연산기에 더해 메모리나 데이터 변환기 등을 고려, 전체 하드웨어 구조를 최적화 하는 것이 필요하다"고 말했다.

이어 "아날로그형 PIM은 높은 연산 효율성과 병렬성을 보이지만 기존의 D램-PIM에서는 누설전류의 영향으로 병렬성을 유지 하면서 고효율 아날로그 연산을 하는 것이 어렵다"고 설명했다. 

이번 연구에서는 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원하는 트리플-모드 셀 방식을 구현했다. 다이나플라지아는 트리플-모드 셀을 이용, 인공지능 연산에 맞춰 하드웨어 구조를 형성하는 동적 코어 형성 아키텍처다. 기존 아날로그형 PIM 반도체보다 효율성이 2.5배 가량 높다.

이번 연구는 과기정통부 PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계) 사업을 통해 설립된 PIM반도체 설계연구센터(PIM-HUB)에서 진행했다. 지난달 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

유 교수는 "이번 연구는 기존 인공지능 반도체가 가지고 있던 메모리 병목현상을 해소할 뿐만 아니라, 높은 처리량과 가변성을 갖는 고메모리 용량의 D램-PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다"며 "상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 인공지능 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것"이라고 강조했다.

전영수 과기정통부 정보통신산업정책관은 "PIM반도체 기술은 메모리 반도체 기술에 강점을 보유한 우리나라가 앞서나갈 수 있는 잠재력이 높은 분야"라고 평가했다.


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