전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 생활경제

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능과 GPU

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

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

※ 번역할 언어 선택

김정호 교수.

엔비디아 스토리

컴퓨터 구조에서 대표적으로 사용되는 반도체로는 계산 장치인 프로세서(Processor)와 메모리(Memory)가 있다. 그중에서 프로세서로는 개인용 컴퓨터에 많이 사용되는 CPU(Central Processing Unit)가 있고, 스마트폰에는 주로 AP(Application Processor)가 사용되고, 컴퓨터 그래픽 카드에는 GPU(Graphic Process Unit)가 사용된다.

이러한 프로세서 중에서 인공지능 계산을 위한 병렬처리에는 GPU가 가장 많이 사용된다. GPU 내부에는 계산기(Arithmetic Logic Unit, ALU) 코어의 개수가 수천 개 혹은 수만 개에 이른다. 그래서 동시 병렬 계산이 용이하다. 이러한 이유로 인공지능 계산에 GPU가 가장 유용한 프로세서가 된다.

이러한 배경으로 대표적인 GPU 회사인 엔비디아(NVidia)의 성장이 두드러진다. 최근에 GPU는 가상화폐 채굴에 쓰이기도 해서 한때 품절이 나기도 했다. 여기에 그치지 않고 자율주행 자동차의 인공지능 처리에도 GPU가 사용될 전망이다. 그 때문에 지난 10년간 엔비디아의 주가는 꾸준히 상승하고 있다. 이래저래 CPU, AP보다 GPU의 계속된 성장이 기대된다.

2019년 방문한 실리콘밸리의 엔비디아 신사옥 내부. [출처=KAIST]

필자의 연구실에서는 지난 10여년간 GPU와 디램이 3차원적으로 결합한 HBM(High Bandwidth Memory) 모듈을 설계하는 연구를 진행해왔다. 그 과정에서 국내의 삼성전자, SK하이닉스뿐만 아니라 엔비디아와 협력을 지속해 왔다.

HBM에서는 기존의 모듈과는 달리 실리콘 기판을 배선으로 사용해 GPU와 디램 사이의 연결선 개수를 대폭으로 늘린다. 더 빨리 많은 수의 병저렬 계산을 하기 위해서 고안됐다. 이 HBM 모듈은 주로 인공지능 서버에 사용하고 있으며, 그 가격은 1000만원에 가깝다.

이렇게 비용이 많이 드는 것이 단점이지만, 인공지능 시대를 맞아 수요는 계속 증가할 것으로 생각한다. 이러한 이유로 필자의 연구실 졸업생이 엔비디아에 여러 명 진출했다. 대학원 학생들이 인턴으로도 엔비니아에 파견 나가기도 한다.

2019년 방문한 엔비디아에서의 기술 교류 미팅. [출처=KAIST]

인공지능의 기본은 행렬 수학

인공지능에서 지능신경망인 DNN(Deep Neural Network)의 입력은 디지털 데이터이다. 그리고 데이터 입력은 일정 수의 데이터 묶음 형태로 표현된다. 이러한 디지털 데이터의 묶음을 수학 용어로 벡터(Vector)라고 한다.

예를 들어 카메라 이미지 화소점인 픽셀(Pixel) 하나에는 RGB(Red, Green, Blue) 세 가지 색깔의 배합과 밝기가 표현된다. 그러면 이미 4가지 요소를 갖는 벡터가 된다. 거기에 더해 화면 속의 위치 정보가 x, y로 들어가면 6열 벡터가 된다. 언어를 입력 벡터로 쓴다면 그 벡터 크기가 수백만개도 된다. 단어의 개수가 그만큼 많다.

이러한 입력 벡터를 다른 형태로 변환할 필요가 생긴다. 이때 벡터와 행렬(Matrix) 곱셈이 필요하다. 예를 들어 그래픽 처리에서 위치 정보가 포함된 벡터의 좌표를 변환하려고 한다면, 이 벡터에 행렬을 곱하면 된다.

보는 관찰자의 위치를 3차원으로 바꾼다면 새로운 좌표에서 다시 위치를 잡기 위해서 데이터 벡터에 좌표 변환을 하게 되는데, 이때 벡터에 좌표 변환 3x3 행렬을 곱하게 된다.

마찬가지로 인공지능 판단이나 예측에도 벡터와 행렬 계산이 사용된다. DNN에서는 입력이 데이터 벡터가 되고, 그 벡터 신호에 입력층(Input layer), 은닉층(Hidden layer), 출력층(Output layer)으로 지나가면서 계속 행렬 곱셈이 일어난다. 이러한 과정을 전전파 학습(Forward Propagation Training)이라고 한다.

거꾸로 최종 정답과의 차이를 확인하고 반대 방향으로 행렬을 곱해가면서 네트워크를 교정해 가는 과정을 역전파 학습(Backward Propagation Training)이라고 한다.

이처럼 학습과정에서 행렬계산이 수없이 일어난다. 그래서 인공지능 계산에서 가장 빈번히 일어나는 컴퓨터 계산이 행렬 곱셈과 덧셈이다. 그리고 이러한 병렬 계산에 GPU가 가장 적합한 프로세서 구조이다.

인공지능 학습과 판단에 필요한 행렬 계산식들. [출처=KAIST]

인공지능을 위한 GPU 구조

이와 같은 행렬 계산은 하나하나 순차적으로 일어나지 않고 동시에 병렬로 한다. 이렇게 동시에 병렬로 계산하는 방법으로는 컴퓨터를 병렬로 연결해서 수행하는 방법이 있다. 초기 구글 알파고에서 쓰인 방법이다.

그러나 이러한 병렬 계산을 위해서는 컴퓨터끼리 데이터를 주고받아야 한다. 컴퓨터끼리 케이블로 연결돼야 한다. 이러면 데이터를 컴퓨터 간에 이동하는 데 시간이 걸린다. GPU는 반도체 프로세서 내부에서 병렬 계산을 하므로 빠르고 효율적이다.

엔비디아 GPU의 경우, 내부에서 80여개의 SM(Streaming Multiprocessor)이 병렬 계산을 나누어서 한다. 그 SM 속에는 32개의 중간 크기의 계산블록(Warp)이 있고, 각 Warp에는 64개의 계산 코어(Thread)가 있다.

그래서 GPU 내에는 전체적으로 80x64x32=16만3840개의 병렬 계산 코어가 있다. 이들이 동시에 병렬 계산을 한다. 앞으로는 계산 코어의 개수가 100배 이상 증가할 것으로 예상한다. 모두 행렬 계산을 빠르고 효율적으로 하기 위함이다.

GPU에도 단점은 있다. 코어가 많기 때문에 코어 주변에 계산 결과를 임시로 저장하는 캐쉬(Cash) 메모리가 한정돼 있다. 그래서 매번 계산 결과를 낼 때마다 외부의 디램에 저장하고 다시 읽어 와야 하는 번거로움이 있다. GPU 외부 메모리인 디램의 성능이 지원해줘야 한다. GPU의 성능을 위해서는 디램의 성능도 같이 좋아져야 한다.

마지막으로 GPU의 어려운 점은 계산량이 너무 많아서 프로세서에서 열이 많이 발생하고, 그 결과 반도체 온도가 올라간다는 점이다. 그러면 프로세서의 계산 능력이 급속히 감소한다. 그래서 반도체 냉각 기술이 중요해지고 있다.

이처럼 GPU는 더욱 병렬화되고, 메모리와도 병렬화되며, 냉각 기술을 위한 혁신이 계속될 전망이다. 4차 산업혁명이 진행되면서 GPU의 수요와 기술 발전은 더욱 심화할 전망이다.

최신 엔비디아 GPU의 내부 구조도. [출처=KAIST]

 

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수] joungho@kaist.ac.kr

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
삼성전자, 車 메모리 첫 '세계 1위' [서울=뉴스핌] 이나영 기자= 삼성전자가 세계 차량용 메모리 반도체 시장에서 미국 마이크론을 제치고 사상 처음으로 세계 1위에 올랐다. 31일 시장 조사업체 스탠더드앤드푸어스(S&P) 글로벌 모빌리티에 따르면 삼성전자의 지난해 차량용 메모리 시장 점유율은 40%로 전년(35%) 대비 5%포인트(P) 올라 1위를 차지했다. 기존 1위였던 마이크론은 같은 기간 점유율이 40%에서 36%로 하락하며 2위로 밀려났다. 서울 서초구 삼성전자 사옥 전경 [사진=뉴스핌DB] 차량용 메모리 시장은 자동차의 전장화와 소프트웨어 중심 차량(SDV) 확산에 힘입어 빠르게 성장하고 있다. 자율주행 기능과 고사양 인포테인먼트 시스템 탑재가 늘면서 대용량 데이터 처리와 높은 안정성을 갖춘 메모리 반도체 수요도 증가하는 추세다. 삼성전자는 지난 2015년 저전력 D램(LPDDR)과 유니버설 플래시스토리지(UFS)를 앞세워 차량용 반도체 시장에 본격 진출했다. 이후 차량용 SSD와 그래픽 D램(GDDR) 등으로 제품군을 확대하며 사업 영역을 넓혀왔다. 제품 포트폴리오 확장을 바탕으로 삼성전자는 2020년부터 지난해까지 차량용 메모리 사업에서 연평균 40% 이상의 매출 성장률을 기록한 것으로 알려졌다. 한편 S&P 글로벌 모빌리티는 글로벌 차량용 반도체 시장 규모가 2025년 약 900억달러(약 136조원)에서 2031년 1390억달러(약 209조원)로 성장할 것으로 전망했다. nylee54@newspim.com 2026-05-31 12:46
사진
외환 거래 '24시간'으로 확대 [서울=뉴스핌] 박가연 기자 = 오는 7월 6일부터 서울 외환시장의 외환 거래시간이 평일 24시간 무중단 방식으로 연장된다. 이에 따라 주말과 새해 첫날을 제외하면 국내 공휴일에도 거래가 가능해진다. 서울외환시장운영협의회(외시협)는 29일 총회를 개최하고 이 같은 내용의 '서울 외환시장 행동규범' 개정안을 의결했다. 이번 개정으로 중개회사를 통한 원·달러 외환거래 시간은 기존 '오전 9시~익일 오전 2시'에서 주중 내내 24시간 문을 여는 방식으로 바뀐다. 뉴욕 서머타임(DST) 기간에는 월요일 오전 6시부터 토요일 오전 6시까지, 그 외 기간에는 월요일 오전 7시부터 토요일 오전 7시까지 시장이 상시 가동된다. 다만 원화와 이종통화 간 거래시간은 현행대로 오전 9시부터 오후 3시 30분까지 유지된다. 한국은행 현판. [사진=뉴스핌DB] 외환시장 개방 확대로 시차가 다른 외국인 투자자는 물론, 미국 주식 등에 투자하는 국내 투자자와 수출입 기업들의 환전 편의가 높아지고 거래 비용도 줄어들 것으로 전망된다. 매년 첫 영업일은 오전 9시에 개장하며 마지막 영업일은 24시에 폐장한다. 공휴일이나 야간 거래는 허용되지만 실제 거래 대금이 오가는 결제 업무는 기존처럼 은행 영업일에 처리된다. 글로벌 시장 관행에 따라 은행 비영업일에는 자금 이체가 불가능해 가장 가까운 다음 은행 영업일로 결제가 순연된다. 24시간 개장에 맞춰 환율 공시 체계도 일부 조정된다. 현물환중개회사는 오전 6시부터 익일 오전 6시까지 매시 정각마다 시간가중평균환율(TWAP)을 산출해 시장에 제공할 예정이다. ▲시가 ▲고가 ▲저가 ▲환율 역시 같은 기준에 따라 공표된다. 다만 시장의 혼선을 최소화하기 위해 기업 재무제표나 세무 기준 등에 활용되는 '서울 오후 3시 30분 종가 환율'과 매매기준율(MAR)은 당분간 현행 기준을 따르기로 했다. 외환당국도 공식 통계와 보도자료 작성 시 기존 종가 환율을 계속 활용할 방침이다. 외시협은 향후 매매기준율 산정 방식도 글로벌 관행에 맞춰 거래량 가중평균 방식(MAR)에서 시간가중평균환율(TWAP) 방식으로 변경하는 방안을 논의했다. 시장 참가자들의 적응 기간을 고려해 외국환거래규정 개정 이후 1년의 유예기간을 두는 방안도 검토됐다. 외환당국은 이번 총회에서 수렴된 시장 참가자 의견을 바탕으로 오는 6월 중 매매기준율 변경 등을 포함한 외국환거래규정 개정을 추진할 계획이다. eoyn2@newspim.com 2026-05-31 12:00
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