디지털 시대가 도래하면서 반도체에 대한 수요가 더욱 커지고 있는데요. 반도체 수급난이 이어지면서 최소한의 반도체로 고성능을 구현할 수 있는 반도체에 대한 관심이 뜨거워졌습니다. 이에 맞춰 하나의 반도체로 고성능을 구현할 수 있는 반도체가 현재 개발 중이라고 하는데요. 오늘 다루어 볼 ‘뉴로모픽 반도체’가 그 주인공입니다.

그럼 뉴로모픽 반도체에 대해 더욱 샅샅이 알아보도록 하겠습니다!

뉴로모픽 반도체란?

뉴로모픽 반도체는 인간의 뇌 구조를 모방해 만든 인공지능 반도체를 일컫습니다. 뉴로모픽 반도체의 모티브가 된 사람의 뇌는 수많은 신경세포(뉴런)들이 시냅스로 연결되어 신호를 주고 받아 순식간에 정보를 처리하는데요. 뉴로모픽 반도체는 이 신경망의 특성을 적용하여 저전력으로도 복잡한 연산, 추론, 학습 등이 가능하여 급격하게 늘어나는 데이터를 손쉽게 처리할 수 있는 것이죠.

기존 반도체와의 차이점은? 

기존의 반도체 구조는 연산과 저장 등의 처리 장치가 구분되어 있어 직렬처리가 이루어지기 때문에 정보를 전달하는 과정에서 병목현상이 발생하며, 전력소모와 처리속도에 한계가 있는데요. 

반면, 뉴로모픽 반도체는 연산과 저장이 하나의 반도체에서 행해지며 병렬처리가 이루어지는데요. 그래서 저전력으로도 복잡한 연산이나 학습, 추론 등을 효율적으로 할 수 있고, 인간의 행동 패턴을 분석하는 기능을 갖추고 있어 이미지와 소리 등 비정형화된 데이터를 인식하고 처리하는 능력이 뛰어납니다.

구글은 고양이와 다른 동물과 구별할 수 있는 인공지능을 개발하는 데 1만6000개의 CPU(중앙처리장치)가 필요했다고 하는데요. 만약 뉴로모픽 칩을 사용한다면, 단 하나의 칩으로 단기간에 같은 성능을 구현해낼 수 있는 것이죠.

뉴로모픽 반도체의 장점은? 

앞서 언급했듯이, 뉴로모픽 반도체는 저장과 연산을 동시에 행해지면서 병렬처리가 이루어지기 때문에 병목현상이 일어나지 않는데요. 이 때문에 전력 소모가 적으며, 빠른 속도로 데이터 처리가 가능합니다. 또한 뉴로모픽 반도체를 사용하면 하드웨어 크기도 줄일 수 있기 때문에 컴퓨터 성능 발전도 기대할 수 있는데요. 

뉴로모픽 반도체는 이러한 장점을 기반으로 방대한 양의 데이터를 학습하고 판단하는 인공지능 소프트웨어에 적합합니다. 자율주행차를 비롯해 로봇, 웨어러블 디바이스, 드론, 지능형 센서, 음성인식, 얼굴인식 등 4차 산업혁명 분야에서 폭 넓게 활용될 수 있는 것이죠.

수많은 장점들 뒤로 단점도 존재하는데요. 병렬 회로와 알고리즘을 구현하기 위해서는 초기 제작비용이 높습니다. 또한 칩을 활용할 수 있는 소프트웨어와 설계 기술 연구가 고도화되어 연구 및 개발 기간이 오래 걸리고, 특정 연산에 최적화 되어 응용 분야가 한정되어 있는데요.

그럼에도 불구하고, 뉴로모픽 반도체는 인공지능을 구현하는 최적의 칩으로써 큰 기대를 받고 있습니다. 최근 수많은 반도체 기업들이 뉴로모픽 반도체를 개발 중이라는 기사를 쉽게 찾아볼 수 있는데요. 뉴로모픽 반도체 개발을 위해 기업들의 연구 및 기술 개발은 어떻게 진행되고 있는 지 살펴볼까요?

뉴로모픽 반도체로 향하는 길 

대표적인 반도체 기업 인텔이 2017년 출시했던 뉴로모픽 반도체 ‘로이히1’을 발전시킨 ‘로이히2’를 2021년 10월 공개했는데요. 2세대 뉴로모픽 반도체 로이히2는 기존 로이히1보다 처리 속도는 10배 빠르고 에너지 효율은 15배 개선되었습니다.

극자외선(EUV) 장비가 활용된 인텔4 공정(7나노미터 수준)에서 제작된 로이히2는 데이터센터시스템, 머신러닝, 로봇시스템 등 인공지능을 요구하는 분야의 연구에 활용될 것으로 전망됩니다.

연산 기능을 더한 최첨단 칩 기술로, 차세대 저전력 인공지능(AI) 칩을 만드는 기술로 주목받고 있습니다.

이 기술은 컴퓨터, 스마트폰 등에서 컴퓨팅을 하는 데 있어 기존 방식보다 빠른 속도로 작업을 할 수 있고, 이에 필요한 전력량도 줄일 수 있을 것으로 기대되는데요. 삼성전자 전문연구원은 이번 연구가 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술의 연구 및 개발에 도움이 될 것 이라고 밝히며, 뉴로모픽 반도체 실현에 한층 더 가까워지는 모습을 보여줬습니다.

AI 반도체는 중앙처리장치(CPU)+그래픽처리장치(GPU) 1세대 → 신경망처리장치(NPU) 2세대 → 뉴로모픽 3세대로 발전하고 있는데요. 주요 반도체 기업들이 가지고 있는 반도체 기술 역량을 기반으로 뉴로모픽 반도체 연구 및 개발에 지속적으로 집중하여 차세대 인공지능 반도체 분야에서 멋진 활약을 할 수 있기를 소망합니다.