“AI 반도체”… 시장 성장과 발전 방향

[디지털비즈온 김맹근 기자] 정보통신 기술을 중심으로 여러 산업 분야와의 융합이 지속적으로 일어나고 있다. ICT기술 기반의 다양한 융복합 산업의 성장과 발전을 위해 필수적인 요소, 즉 산업의 “쌀”과 같은 역할을 하는 것이 바로 반도체 산업이다. 빠른 데이터 처리 속도 및 급증하는 데이터 처리량으로 인해, 시스템 반도체 및 메모리 반도체의 수요는 지난 수십년간 기하급수적으로 급증하였다.

자동차 전자부품, 산업 전자, 가전, 데이터 처리, 통신 전자, 군사 및 민간 항공 우주산업 등에서 반도체 수요는 폭발적으로 증가하였다. 범용의 반도체 칩으로 각 산업 영역에 활용되던 시대는 저물고, 각 산업 영역에 특화된 반도체 칩을 필요로 하게 되었다.

이로 인해, 특정 응용사례에 맞는, 특히 인공지능 서비스를 탑재한 응용 제품 및 서비스에 적합한 인공지능 반도체, 즉 AI 반도체 기술의 발전에 대한 수요가 늘어나기 시작했다.

기존 반도체에 비해 AI 반도체는 높은 계산 능력과 전력 효율을 보이는게 특징입니다. 이러한 특징으로 인해, 지난 수년간 매우 빠르게 증가하는 데이터 양을 저장/처리할 수 있는 AI 반도체의 수요는 폭발적으로 증가하고 있습니다.

현재 전세계 AI 반도체 시장 규모는 2018년 70억 달러에서 2022년 326억 달러로 증가하였으며, 2030년에는 1,170억 달러에 다다를 것으로 예상된다. 2018년 기준, 2022년 AI 반도체 시장 규모는 4배 이상 성장하였고, 2022년 기준, 2030년 AI 반도체 시장 규모는 4배 가량 성장하여, 1,170억 달러 규모의 시장을 창출할 것으로 기대된다.

다양한 산업 분야에서 AI 기술을 적용하고자 하는 “AI 기술 기반 산업 격변기”에 진입하였다. 과거부터 현재까지, 빅데이터를 다루는 컴퓨팅에는, 직렬로 데이터를 처리하는 CPU보다는, GPU와 같은 병렬 데이터 처리에 특화된 반도체를 주로 활용해 왔다. 현재 AI 반도체 시장은 GPU 반도체가 이끌고 있다고 해도 과언이 안이다.

하지만, 병렬 데이터 처리를 위해 개발된 범용의 GPU만으로 각 산업 별로 특화된 인공지능 서비스를 완벽하게 구현하기 힘들기 때문에, 각 산업(기업)별로, 특정 동작 환경 및 인공지능 서비스 수준에 최적화된 컴퓨팅 기술 수요가 증가할 것으로 기대된다.

따라서 인공지능 반도체가 탑재된 전자 시스템 자체의 성능을 최상으로 구현하기 위해서는, 시스템 반도체, 메모리 반도체, 그들 간의 통신/데이터 네트워크까지 아우르는 기술이 필요할 것이다.

반도체의 기하급수적인 발전에도 불구하고, CPU/GPU 칩 내부의 Core당 메모리 대역폭(Memory Bandwidth)은 크게 증가하기보다 오히려 감소하고 있고, 메모리의 자체의 Capacity는 일반적으로 예상한 수준만큼의 큰 증가를 보이지 안이다.

하지만 인공지능의 발전으로 인해 데이터의 양은 우리가 경험하고 예상했던 것보다 매우 빠르게 증가하고 있기 때문에, 기존의 메모리 반도체로는 기하급수적으로 늘어나는 데이터 양을 충분히 저장/처리하기에 여러 한계를 가지게 된다.

현재 사용 중인 DRAM은 속도가 매우 빠르지만 휘발성으로 전원 공급 중단 시 저장된 데이터는 모두 사라지게 된다. NAND는 전원 공급 중단시에도 데이터가 사라지지 않지만 CPU 및 DRAM과 비교했을 때 매우 느리다는 단점이 있다.

따라서 이러한 DRAM 과 NAND의 장점을 결합한 Persistent Memory가 메모리 반도체의 지향점이라고 할 수 있다. 이에 대해 전자의 스핀으로 on/off를 조절하는 STT MRAM, 상변화를 통해 저항을 조절하는 PCRAM 등 다양한 메모리 소자가 현재 연구 중에 있다.