SK하이닉스 인텔 CPU 대체할 차세대 메모리 반도체 PIM(프로세싱 인 메모리) 개발

SK하이닉스, 인텔 CPU 대체할 메모리 개발

메모리가 직접 연산 PIM 기술

미래 컴퓨터에는 인텔이 만든 CPU 같은 중앙처리장치가 아닌 메모리 반도체가 직접 생각하고 연산하는 시대가 열렸습니다. 폭증하는 데이터 처리를 위해 반도체 업계가 메모리에 직접 인공지능(AI) 연산장치를 이식하는 도전에 나선 것입니다. 

이 같은 기술력을 바탕으로 2022년이 폰 노이만의 시대를 넘어 차세대 반도체 시대가 열리는 원년이 될 것으로 보고 있습니다. 연산 속도 향상에 퀀텀점프가 일어나면서 자율주행이나 메타버스와 같은 미래 산업 대중화에 가속도가 붙게 됐습니다.

물론 효율성 면에서 메모리 반도체가 CPU나 GPU(그래픽처리장치)를 전면적으로 대체하는 것은 쉽지 않을 것이나, 사물인터넷(loT)과 같은 비교적 데이터 교류가 단순한 분야들부터 충분히 대체 활용이 가능할 수 있다는 전망입니다.

차세대 메모리 반도체 PIM(프로세싱 인 메모리) 개발

지난 2월16일 SK하이닉스는 연산 기능을 갖춘 차세대 메모리 반도체 PIM(프로세싱 인 메모리)을 개발했다고 밝혔습니다. PIM은 메모리에 연산 기능을 더한 차세대 반도체를 의미합니다.

SK하이닉스는 전통적인 반도체 개념을 극복, 메모리도 연산을 할 수 있는 차세대 스마트 메모리를 꾸준히 연구했고 결국 PIM 개발에 성공했습니다.

SK하이닉스는 PIM 개발 성과를 이달 말 미국 샌프란시스코에서 열리는 반도체 분야 세계 최고 권위 학회 2022 국제 고체회로 학술회의(ISSCC)에서 공유할 계획입니다. 이 자리에서 SK하이닉스는 PIM이 연산과 저장을 모두 담당하는 '메모리 센트릭 컴퓨팅' 시대를 열 수 있다는 전망도 제시합니다.

SK하이닉스는 PIM이 적용된 첫 제품으로 'GDDR6-AiM' 샘플을 개발했는데요. 이 샘플은 초당 16기가비트(Gbps) 속도로 데이터를 처리하는 GDDR6 메모리에 연산 기능이 더해진 제품입니다. 일반 D램 대신 이 제품을 CPU·GPU와 탑재하면 특정 연산의 속도가 최대 16배까지 빨라집니다.

상용화되면 머신러닝과 고성능 컴퓨팅, 빅데이터의 연산·저장 등에 활용될 전망입니다. 특히 기존 제품 대비 에너지 소모가 80%가량 줄어들어 탄소 배출을 저감할 수 있다고 합니다. SK하이닉스는 최근 SK텔레콤에서 분사한 AI 반도체 기업인 사피온과 협력해나갈 예정입니다.

SK하이닉스의 본격적인 PIM 대열 합류로 반도체 업계의 기술 전쟁은 더욱 치열해질 것으로 보이는데요. 컴퓨터가 발명된 이래로 지금까지 프로세스는 CPU 중심으로 이뤄졌습니다. 이를 처음 고안한 헝가리 과학자의 이름을 따서 '폰 노이만' 방식이라고 부릅니다.

하지만 처리해야 하는 데이터가 폭발적으로 많아지면서 메모리와 중앙처리 사이에 병목현상이 발생하는 기술적 한계에 봉착했습니다. 전 세계에서 1년간 생산되는 데이터양은 지난해 기준 44ZB(제타바이트)에서 2025년까지 4배가 넘는 180ZB로 폭증할 것인데요. 1ZB는 mp3 음원으로 281조5000억곡을 저장할 수 있는 용량이며 데이터센터 1000개를 합친 크기입니다. PIM 기술은 이처럼 폭증하는 데이터를 처리하는 데 한계에 봉착한 폰 노이만 방식의 대안으로 주목받고 있습니다.

상용화되면 AI 속도 2배 향상

원래 이 분야의 선두는 삼성전자였습니다. 지난해 PIM 기술을 서버나 데이터센터의 AI 가속기에 탑재되는 고대역폭 메모리 반도체인 HBM2에 이식해 'HBM-PIM' 제품을 만드는 데 성공했죠. AI 가속기란 AI를 실행하기 위한 전용 하드웨어를 의미하는데요. 미국 시장 조사기관 트랙티카에 따르면 2017년 16억달러였던 AI 가속기 시장 규모는 2025년 663억달러에 이를 것으로 관측됩니다.

삼성전자에 따르면 HBM-PIM을 탑재할 경우 기존 HBM2를 이용한 시스템 대비 성능은 약 2.5배 높아지고 시스템 에너지는 60% 이상 감소합니다. 신제품을 설치하기 위해 별도로 기존 설비를 교체하거나 업그레이드할 필요도 없기 때문에 양산이 시작되면 빠르게 시장을 대체할 것으로 기대됩니다.

삼성은 모바일에도 도입

삼성전자는 고가 시장인 고대역폭 메모리를 넘어서 D램과 모바일 분야에까지 PIM 기술 도입을 확대하고 있는데요. PIM이 모바일 D램과 결합하면 클라우드 서버를 거치지 않고 휴대폰이 독자적으로 정보를 처리하는 온 디바이스 AI 성능이 크게 향상됩니다. 시범적용해 본 결과 음성 인식이나 번역, 챗봇 등 프로그램을 수행할 때 2배 이상 성능이 향상되고 60% 넘게 에너지가 감소되는 것으로 확인됐습니다.

삼성전자는 반도체 분야의 세계 최고 권위 학회인 ISSCC에서 논문을 공개한 뒤 국제표준협회와 함께 표준화 작업을 진행 중입니다. 이를 바탕으로 올해부터 SAP 등 고객사들과 협업해 시장 규모가 확보되면 바로 양산에 나설 전망입니다.