카이스트, 세계 최초 트리플-모드 셀 PIM반도체 개발

▲PIM 발전 방향 (과기정통부)

한국과학기술원(KAIST)이 챗GPT 특화용 AI반도체를 개발했다. DRAM(디램) 메모리 안에서 인공지능(AI) 연산처리가 가능한 PIM(Processing In Memory 기술을 구현하는 데 성공한 것이다. 특히 디램 셀에 메모리, 연산기, 데이터 변환기 기능 3가지를 모두 구현한 건 세계적으로 이번이 처음이다.

과학기술정보통신부는 14일 유회준 카이스트 교수 연구팀이 디램 메모리 셀 내부에 AI 연산을 수행하는 PIM반도체인 '다이나플라지아(DynaPlasia)'를 개발했다고 밝혔다. 다이나플라지아는 DRAM 기반으로 '필요에 맞춰'(Plasia) 하드웨어를 만들 수 있는 기술이다. 면적이 크지 않은 반도체로, 필요에 맞춰 어디든 설계할 수 있다는 것이다.

PIM은 하나의 칩 내부에 메모리와 프로세서 연산기를 집적한 차세대 반도체다. 메모리와 프로세서가 분리되어 있는 기존 컴퓨팅 구조에서 발생하는 데이터 병목현상과 과다한 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 것이 특징이다.

그동안 다양한 PIM이 개발됐지만, 대부분 셀 하나에 트랜지스터가 8개 이상 필요했다. DRAM 기반으로 PIM을 구현하더라도 연산기를 메모리 셀 어레이 외부에 배치해야 했다. 이는 메모리 셀 내부에 연산기가 있는 경우보다 집적 연산성능이 떨어지는 한계가 됐다.

이번에 연구팀이 발표한 다이나플라지아는 DRAM-PIM 기반 AI 반도체, 3개의 트랜지스터만으로 셀을 구성했다. 메모리 셀 내부에 연산기를 집적하고 높은 병렬성과 집적도, 연산 기능을 향상시켰다. 연구 결과 기존 디지털 DRAM-PIM 방식 대비 약 300배 높은 병렬성으로, 15배 높은 데이터 처리량을 나타냈다.

특히 다이나플라지아는 세계 최초로 하나의 셀이 메모리, 연산기, 데이터 변환기의 기능을 동시에 지원할 수 있는 '트리플 모드 셀'을 구현했다. 실제 AI 연산에 맞춰 하드웨어 구조를 형성할 수 있으며 기존 아날로그형 PIM보다 2.5배 가량 높은 효율성을 보였다.

이번 연구는 과기정통부 ‘PIM인공지능반도체핵심기술개발(설계)’ 사업을 통해 설립된 ‘PIM반도체 설계연구센터’에서 진행됐으며, 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 DRAM-PIM을 개발했다는 점에서 의미가 크다”며 “본격적인 상용화에 성공할 경우, 최근 더욱 거대해지고 다양해지는 인공지능 모델에서도 높은 성능을 보일 수 있을 것”이라고 의의를 설명했다.