전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
홈 산업 생활경제

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 반도체의 미래

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

인공지능 가능케 하는 '퍼셉트론' 아십니까?

현재 인공지능의 핵심으로 등장하는 딥러닝 알고리즘은 퍼셉트론(Perceptron)이라고 불리는 인공 신경망 모형에 기초하고 있다.

김정호 카이스트 교수

퍼셉트론은 인공신경망의 한 종류로서, 1957년에 코넬 항공 연구소의 프랑크 로젠블라트(Frank Rosenblatt)에 의해 고안됐다.

이것은 가장 간단한 인공 신경망의 형태로 동물의 신경계를 본 따서 고안되었다. 이러한 퍼셉트론의 동작 방식은 지금 인공지능 딥러닝의 기초가 된다.

퍼셉트론에서 각 노드의 가중치와 입력치를 곱한 것을 모두 합한 값이 활성함수에 의해 판단되는데, 그 합한 값이 임계치를 넘으면 뉴런이 활성화 되고, 그 신호가 다음 단계로 전달된다. 뉴런이 활성화되지 않으면 신호는 다음 단계로 전달되지 않는다.

딥러닝으로 표현되는 최근 인공지능 구조는 이러한 퍼셉트론을 기본 구조로 해서 여러 층의 연결망을 이룬다.

인공지능 기초 단위인 퍼셉트론 (Perceptron)의 구조. [출처=Towards Data Science]

4차 산업혁명 시대의 디지털 데이터는 묶음 형태로 존재한다. 영상 데이터 형태가 그렇고 빅데이터 자체가 그렇다. 그래서 인공지능이 다루는 입출력 데이터는 ‘벡터’ 혹은 다차원 ‘행렬’ 형태를 갖게 된다. 인공지능을 컴퓨터 소프트웨어 코드로 구현하는 과정을 보면, 그 과정에서 수 많은 ‘벡터’ 혹은 ‘행렬” 데이터를 곱하고 더하기를 반복한다고 볼 수 있다. 퍼셉트론 기능에 곱셈과 덧셈이 필요하기 때문이다.

그런데 한 개의 A 행렬과 다음 B 행렬이 곱해질 때, 하나 하나 숫자가 순서대로 곱해지는 것이 아니라 동시에 이루어 진다. 그리고 더해서 수많은 퍼셉트론 배치 자체가 병렬적이고 학습 계산 자체가 병렬적이다. 그 결과 인공지능 알고리즘 구현과정에서 필요한 다차원 디지털 행렬의 곱셈, 덧셈 과정은 매우 병렬적이다. 그래서 기존의 영상 신호 병렬 처리에 유리한 그래픽 프로세서(GPU) 반도체가 요즈음 인공지능 계산에 편리하게 사용되고 있다.

이러한 배경으로 미래의 인공지능 프로세서를 AIP(Artificial Intelligence Processor) 라고 부른다면 이 인공지능 반도체에서는 데이터 병렬 처리 기능이 최대화 되는 구조가 되어야 한다고 본다. 거기에 더해서 계산과정에서의 결과를 메모리 소자에 빠르게 기억해야 한다. 그래서 처리 속도를 높이기 위해서는 물리적으로 기억 소자의 위치가 프로세서에 병렬적이면서도 동시에 극단적으로 더욱 근접하게 배치되어야 한다. 그래서 병렬처리 성능이 지금의 GPU보다 100 배 이상 향상되어야 한다.

또한 계산과 기억을 하기 위해 걸리는 지연시간(Latency)도 지금보다 100 분의 1 이상으로 줄여야 한다. 다음으로 전력 소모가 지금의 100 분의 1 이하로 줄여져야 한다. 그래야 인공지능 컴퓨터가 배터리로 구동되는 자율주행자동차, 손안의 컴퓨터인 스마트폰 안으로 들어올 수 있다. 그래야 4차 산업혁명이 완성된다.

 

인공지능 반도체의 두 가지 발전 방향

이러한 미래 인공지능 반도체의 요구 조건을 만족하기 위해서는 필자는 두 가지 개발 방향을 제시한다.

이 두 가지 방향으로 GPU 와 메모리 사이의 지속적이고 극단적 병렬화 방법과 퍼셉트론의 개념을 반도체 내부 회로나 소자로 구현하는 방법이다.

먼저, 가장 먼저 가능성이 높고 10년 내로 활발히 개발과 사업화가 진행될 방향은 GPU 프로세서와 디램(DRAM) 메모리의 급격한 병렬화 확대이다. 현재의 대표적인 인공지능 반도체인 HBM(High Bandwidth Memory)의 경우 지금은 GPU와 디램 사이의 연결선의 개수가 약 1000 개 수준이다. 미래에는 이 병렬 연결선이 십 만개, 백 만개까지 증가해서 지금보다 병렬화 수준을 더 급속하게 늘려야 한다.

그러기 위해서는 반도체의 구조가 지금의 2차원 구조에서 3 차원 구조로 진화해야 한다. 연결선의 구조 자체도 3차원이 되고, 연결선 기판도 실리콘이 되어야 한다. 연결선 하나가 초당 100 기가비트(100GBps) 이상 보낼 수 있는 전자파 도파관 구조로 변해야 한다. 이를 통해서 계산 속도도 늘리면서 동시에 전력소모와 시간 지연을 줄일 수 있다. 경우에 따라 메모리 위에 프로세서가 설치되는 PIM(Processor In Memory) 구조가 3차원적으로 적층될 수 있다.

클라우드 컴퓨팅 시스템과 인공지능 서버용 프로세서는 이러한 구조로 발전해야 한다고 본다. 이렇게 되면 기존의 프로세서 주류가 CPU, AP(Application Processor), GPU 에서 3D HBM 과 PIM이 결합된 구조로 진화할 가능성이 크다. 또한 자율주행자동차, 가전기기 등에도 사용될 전망이다. 구글 TPU(텐서 프로세서 유닛), IBM, 마이크로소프트, 엔비디아 기업 계열은 이 방향으로 인공지능 반도체 기술 개발을 추진할 것으로 예측한다.

병렬화가 극단적으로 증가하는 미래 인공지능 반도체의 발전 방향. [출처=KAIST]

 

인공지능 클라우드 서버에 사용되는 구글 TPU 모듈 사진, [출처=Wired]

다음의 방법은 인공지능 핵심 소자인 퍼셉트론을 실리콘 반도체 내부의 회로(Circuit)나 소자(Device)로 구현하는 방향이다. 프로세서와 메모리가 분리되지 않고 한 곳에 복합된다.

그러려면 간단한 행렬 계산과 더하기가 반도체 내부 회로나 소자 자체적으로 수행 가능해야 한다. 간단한 기억 소자도 같이 있어야 한다. 그리고 이러한 간단한 계산 회로와 기억 소자가 마이크로미터 단위(100 만 분의 1 미터)의 크기로 반도체 공간 안에 같이 구현할 수 있어야 한다. 그러니 신 소자와 신 물질이 개발되어야 한다. 이 방법이 구현되면 병렬 데이터가 외부 메모리로 들락거리지 않아도 되기 때문에 병렬성이 더욱 극대화 되면서 동시에 전력 소모, 시간 지연 문제가 해결 될 수 있다. 이러한 시도의 대표적 인공지능 반도체를 뉴로모픽칩(Neuromorphic Chip)이라고 부르기도 한다.

이 인공지능 반도체는 전력 소모가 작아야 하는 손안의 핸드폰으로 인공지능이 들어가는데 꼭 필요한 반도체이다. 스마트 IoT 센서에도 필요한 인공지능 반도체이다. 이러기 위해서는 현재의 실리콘 프로세서나 메모리가 갖고 있는 소자 구조와 물질 그리고 공정이 혁신적으로 바뀌어야 한다.

하지만 이 구조의 단점은 속도가 느리고, 인공지능 알고리즘과 프로그램을 마음대로 바꿀 수 없어 시스템 유연성(Flexibility)이 크게 약화된다. 그래서 응용 분야의 제한이 있을 수 있다. 대표적인 스마트폰 관련 회사인 삼성전자, 애플, 화웨이(Huwawei), 퀄텀 등에서 적극적으로 개발할 필요가 있는 방식이다. 다만 연구와 개발에 장기간이 소요될 전망이다.

반도체 회로와 소자를 이용해 구현하는 인공지능 반도체 뉴로모픽칩, [출처=IEEE Spectrum]
반도체 내부 아날로그 회로를 이용해서 퍼셉트론을 구현하는 인공지능 반도체, [출처=KAIST]


인공지능 반도체는 새로운 기회

미래 인공지능 반도체 방향으로 제시한 두 가지 방향은 각각 장단점을 갖고 있다. 알고리즘 구현의 유연성(Programmability), 현재 기술의 성숙도, 성능, 전력소모, 대량 생산 인프라의 존재 여부, 시장의 크기, 가격, 수율, 안전성에 따라 어느 방법이 더 유망하고 실현 가능한지 달라질 전망이다. 필자는 단기적으로는 병렬화가 증가한 3D HBM-PIM 구조가 당분간 인공지능 프로세서 시장을 주도할 것으로 전망한다. 그리고 장기적으로는 물질과 공정의 혁신으로 새로운 저전력 인공지능 반도체가 나타날 것으로 본다. 이 단계가 되면 모든 사물에 인공지능 기능이 들어가게 된다.

삼성전자, SK 하이닉스로 대표되는 한국 반도체 산업은 반도체 메모리로 집중 성장해 왔다. 4차 산업혁명의 중심인 빅데이터를 기록하기 위해, 그리고 인공지능 서버에는 반도체 메모리의 성능 요구 조건이 계속 증가하고 있다. 또한 그 수요도 지속적으로 증가할 전망이다. 하지만 4차 산업혁명 시대의 또 다른 반도체 산업 성장하는 기회가 바로 ‘인공지능 반도체’이다. 창의적이고 혁신적인 기술 투자와 인력 양성을 통해서 이 절호의 기회를 잡을 수 있어야 한다. 인텔, IBM, AMD, 엔비디아를 뛰어 넘는 인공지능 프로세서 기업이 한국에서 나오기를 고대한다. 새로운 기회의 땅이다.

인공지능 반도체 개발에 투자하고 있는 대표적 글로벌 기업들, [출처=KAIST]

 

joungho@kaist.ac.kr   


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

 

[관련키워드]

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
젠슨 황 스캔들 불똥 튄 백악관? [서울=뉴스핌] 최원진 기자= 젠슨 황 엔비디아 전 최고경영자(CEO)와 중국 정보요원 의혹 여성 간의 불륜 스캔들 파장이 백악관에 번지며, 도널드 트럼프 대통령의 핵심 참모들이 이번 정치적 난맥상의 책임을 하워드 러트닉 상무장관에게 돌리기 시작했다. 12일(현지시간) 밤 월스트리트저널(WSJ)은 사안에 정통한 복수의 소식통을 인용해 러트닉 장관이 반도체 수출 통제를 지연시킨 행보, 퇴임하는 황 전 CEO와의 오랜 친분, 그리고 기존 행정부 인사들과의 불화 등을 이유로 행정부 내부의 집중 포화를 맞고 있다고 보도했다. 2026년 9월 2일(현지시간) 미국 노스캐롤라이나주 채플힐에서 열린 주요 20개국(G20) 혁신 장관 회의에서 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)(좌)와 악수하는 하워드 러트닉 미국 상무부 장관의 모습. [사진=로이터 뉴스핌] 러트닉 장관을 향한 압박은 황 전 CEO의 스캔들이 대통령 내각으로까지 번지고 있음을 보여준다. 소식통들에 따르면 이날 트럼프 대통령의 일부 참모들은 러트닉 장관을 둘러싼 내부의 거센 비판을 어떻게 수습할지 논의했다. 트럼프 대통령의 일부 정치적 측근들은 이미 대통령에게 러트닉 장관의 경질 방안을 건의한 것으로 전해졌다. 백악관은 성명을 통해 트럼프 대통령이 "상무장관과 그가 현대 역사상 가장 혁신적인 상무장관으로서 직무를 수행할 능력에 대해 전폭적인 신뢰를 유지하고 있다"고 밝혔으나, 추가 논평 요청에는 응하지 않았다. 상무부와 재무부 대변인 역시 논평을 거부했다. 비판론자들은 상무부가 미국산 인공지능(AI) 반도체의 동남아시아 수출 단속을 가로막으면서, 중국 정보원으로 의심받는 앨리스 황 같은 인물이 엔비디아와 사업할 수 있는 틈을 열어줬다고 지적한다. 실제로 상무부는 2024년부터 앨리스 황이 임원으로 있던 메가스피드 인터내셔널(이하 '메가스피드')의 반도체 수출통제 규정 위반 여부를 조사해 왔지만 블랙리스트(수출통제 명단) 등재까지는 나아가지 않아 국무부와 국가안보회의(NSC) 관계자들의 불만을 샀다. 현재 법무부는 앨리스 황과 연관된 다수의 수사를 주도하고 있다. 러트닉 장관은 트럼프 행정부 내에서 황 전 CEO와 가장 가까운 인사 중 한 명으로, AI 정책 결정 시 수시로 그에게 자문하고 그를 미국의 위대한 경영자 중 한 명으로 치켜세웠다. 황 전 CEO 역시 지난해 "러트닉은 행정부에서 내가 가장 자주 대화하는 인물"이라고 밝혔으며, 상무부는 이 발언 영상을 공식 소셜미디어에 게시하기도 했다. 트럼프 대통령의 일부 측근들은 러트닉 장관이 수출 통제에 소극적으로 대응함으로써 엔비디아와 황 전 CEO에게 방패막이 역할을 해줬다고 대통령과 고위 참모들에게 호소해 왔다. 정작 트럼프 대통령 본인도 중국 기업들이 미국산 반도체에 계속 의존하도록 만드는 것이 더 중요하다는 황 전 CEO의 논리에 동조하며 고강도 수출 제한에 반대해 왔고, 황 전 CEO의 불륜 사실을 보고받고도 조치를 취하지 않았다. 그럼에도 참모들은 지난해 관세 정책 혼선 등에 대한 기존 불만까지 더해 러트닉 장관에게 이번 사태의 책임을 집중시키는 모양새다. 행정부의 갈등은 최근 백악관 집무실 회의에서 폭발했다. 소식통들에 따르면 이 자리에서 스콧 베선트 재무장관과 고위 관리들은 상무부가 중국 및 안보 우려국으로의 엔비디아 칩 판매를 막지 못한 점을 놓고 러트닉 장관을 강하게 추궁했다. 2024년 대선 승리 후 정권 인수기 당시 재무장관 자리를 놓고 경쟁했던 두 장관은 그동안 산발적으로 충돌해 왔다. 황 전 CEO 스캔들로 행정부와 엔비디아의 유착 의혹이 불거지자 베선트 장관 등은 러트닉 장관에게 책임을 돌리려 했으나, 행정부 내 다른 인사들은 재무부 역시 앨리스 황이나 메가스피드를 제재하지 않았다며 베선트 장관에게 역공을 가했단 전언이다. 의회의 초당적 압박도 거세지고 있다. 수출 통제를 관할하는 상원 은행위원회의 팀 스콧 위원장(공화·사우스캐롤라이나)은 12일 밤 황 전 CEO와 러트닉 장관에게 다음 달 3일 청문회 출석을 요구하는 서한을 발송했다. 내년 민주당이 다수당이 돼 차기 상원 은행위원장으로 유력시되는 엘리자베스 워런 상원 은행위 민주당 간사(매사추세츠)도 조사를 예고한 상태다. wonjc6@newspim.com   2026-11-13 11:02
사진
엔비디아 급락에 개미들 역대급 '줍줍' [시드니=뉴스핌] 권지언 특파원 = 젠슨 황 최고경영자(CEO)의 사임 소식에 급락한 엔비디아 주식을 개인투자자들이 기록적인 규모로 사들였다고 12일(현지시각) 야후 파이낸스가 보도했다. 과거 급락 이후 반등한 사례가 적지 않지만, 황 전 CEO의 퇴진으로 경영 리더십 공백이 부각된 만큼 주가가 바닥을 확인했다고 단정하기는 이르다는 분석도 나온다. 반다 리서치에 따르면 이날 뉴욕증시에서 엔비디아 주식은 거래 시작 후 첫 30분 동안 개인투자자들로부터 순매수 기준 1억1100만달러의 자금이 유입됐다. 이는 엔비디아의 장 초반 매수 규모로는 역대 최대이며, 평소보다 40배 이상 많은 수준이다. 이번 주 미국 주식과 상장지수펀드(ETF)에 유입된 개인투자자 매수 자금 가운데 엔비디아가 차지한 비중은 61%에 달했다. 엔비디아 주가 상승에 베팅하는 레버리지 펀드에도 자금이 몰렸지만, 하락에 베팅하는 펀드에는 자금 유입이 없었다. 반다 리서치는 "개인투자자들의 자금 흐름이 사실상 한 방향으로 쏠려 있다"고 분석했다. 공인재무분석사(CFA)이자 공인시장기술분석사(CMT)인 마이크 자카르디도 이번 매수세를 두고 "역사상 가장 극적인 '뉴스에 매수하기' 사례 중 하나"라고 평가했다. 앞서 엔비디아 주가는 황 전 CEO의 사임 소식이 전해진 뒤 장 초반 최대 14% 급락해 2025년 6월 이후 최저치로 밀렸다. 이후 낙폭의 절반 이상을 만회했지만, 후임 CEO가 정해지지 않은 상황에서 투자자들의 불확실성은 여전하다. 엔비디아는 오는 17일 분기 실적을 발표할 예정이다. [AI 차트=권지언 기자] ◆ 과거 급락 후 반등 사례…기술적 지표는 과매도 차트상으로는 매수세가 유입될 수 있는 가격대에 도달했다는 분석이 나온다. 엔비디아 주가는 장중 한때 153달러 아래로 떨어졌다. 이 가격은 2024년 말부터 2025년 6월까지 주가 상승을 제한했던 저항선이다. 이후 1년여 만에 가장 많은 거래량을 동반하며 반등했다. 과거 저항선이 지지선으로 바뀌는 현상은 매수세가 유입되고 있음을 보여주는 전형적인 기술적 신호로 해석된다. 다만 이날 저점을 다시 밑돌면 이러한 반등 구도는 훼손될 수 있다. 모멘텀 지표도 과매도 신호를 나타내고 있다. 일간 차트에서는 과매도 영역에 깊숙이 진입했고, 주간 차트에서도 과매도 수준에 근접했다. 엔비디아 주가는 2022년 9월 이후 최악의 월간 성적을 기록할 가능성이 있다. 알파트렌즈의 브라이언 섀넌 창업자는 엔비디아 주가가 투매에 가까워지고 있다고 평가하면서도, 반등을 신뢰하기 위해서는 주가가 5일 이동평균선인 약 175달러를 웃도는 수준에서 거래를 마쳐야 한다고 지적했다. 과거 사례도 반등 가능성을 뒷받침한다. 엔비디아 주가는 이번 급락의 저점에서 10월 사상 최고치 대비 38% 하락했다. 이는 코로나19 팬데믹과 관세 충격 당시의 급락 폭에 근접한다. 당시 두 차례 급락 이후 주가는 모두 3개월 안에 사상 최고치를 경신했다. 2018년과 2022년 하락은 더 깊었으며, 이전 고점을 회복하는 데 7~14개월이 걸렸다. 2010년 이후 엔비디아 주가가 하루 10% 이상 하락한 뒤 장 마감 때 낙폭의 절반 이상을 만회한 사례는 여섯 차례였다. 이 중 2022년 1월을 제외한 다섯 차례에는 1년 뒤 주가가 상승했다. 다만 2022년 1월 사례는 이후 더 깊은 하락세로 이어졌다. ◆ 월가 매수 의견 유지에도 황의 공백은 부담 월가에서는 엔비디아에 대한 긍정적 시각을 유지하는 움직임이 이어지고 있다. 로젠블랫의 케빈 캐시디 애널리스트는 투자의견 '매수'를 유지하며 "직원과 공급업체, 고객들이 회사를 중심으로 뭉칠 것으로 예상한다"고 밝혔다. 골드만삭스의 제임스 슈나이더 애널리스트 역시 '매수' 의견을 유지했지만, 황 전 CEO의 퇴진은 "주가에 의미 있는 수준이지만 제한적인 부정적 요인"이라고 평가했다. 황 전 CEO의 공백이 부담으로 꼽히는 것은 그가 엔비디아의 주요 사업 전략과 대규모 투자 결정을 이끌어 온 핵심 인물이기 때문이다. 엔비디아가 고객사 자금 조달을 지원하는 이른바 '엔비디아 은행'식 거래도 황 전 CEO의 구상에서 나왔다. 언컨벤셔널 AI의 나빈 라오 CEO는 야후 파이낸스 인베스트 행사에서 "주가를 방어한다는 것은 결국 해당 기업을 운영하는 인물의 비전에 베팅하는 것과 비슷하다"고 말했다. 반면 더블라인 캐피털의 제프리 건드라크 CEO는 아직 주가 바닥을 판단하기에는 이르다는 입장이다. 그는 같은 행사에서 "극심한 공포가 지배하는 환경에 진입하기 전까지는 관심을 두지 않을 것"이라고 말했다. kwonjiun@newspim.com 2026-11-13 10:59
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동