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
충청·남부 곳곳 소나기…한낮 33도 [서울=뉴스핌] 송은정 기자 = 화요일인 18일은 충청권과 남부지방 중심으로 곳곳에서 소나기가 내릴 전망이다. 이날 기상청과 케이웨더에 따르면 중부지방 구름이 많겠으나 남부지방과 제주도가 대체로 흐리겠다. 오전에는 경상권과 전남 남해안 중심으로 비가 오고 오후에는 충청권과 남부지방 중심으로 소나기가 내리겠다. 화요일인 18일은 경남 남해안 중심으로 비가 내리고 모레 오후까지 소나기와 돌풍, 천둥·번개에 유의해야겠다. [사진=뉴스핌DB] 예상 강수량은 대전·충남 남부내륙, 충북 남부 5~30mm다. 전북 남동부와 광주·전남은 5~30mm, 부산·울산·경남·대구·경북 남부는 5~30mm다. 아침 최저기온은 21~25도로 예상된다. ▲서울 24도 ▲인천 24도 ▲수원 23도 ▲춘천 23도 ▲강릉 23도 ▲청주 24도 ▲대전 24도 ▲전주 24도 ▲광주 24도 ▲대구 24도 ▲부산 25도 ▲울산 24도 ▲제주 26도다. 낮 최고기온은 30~33도로 예상된다. ▲서울 32도 ▲인천 31도 ▲수원 32도 ▲춘천 31도 ▲강릉 32도 ▲청주 32도 ▲대전 32도 ▲전주 32도 ▲광주 32도 ▲대구 32도 ▲부산 31도 ▲울산 33도 ▲제주 32도다. 에어코리아에 따르면 이날 미세먼지는 전 권역이 '좋음'으로 예상된다. 바다의 물결은 서해 앞바다 0.5m, 남해 앞바다 0.5~1.5m, 동해 앞바다 0.5~2.0m로 일겠다. yuniya@newspim.com 2026-08-18 06:30
사진
美 30년물 국채금리 급등 5.31% [시드니=뉴스핌] 권지언 특파원 = 미국 30년물 국채 금리가 17일(현지시간) 2007년 이후 최고 수준으로 올랐다. 미국의 재정 상황에 대한 우려가 인공지능(AI) 관련 기업들의 대규모 회사채 발행과 맞물리면서 국채 금리를 끌어올렸다. 벤치마크인 10년물 국채 수익률은 2.79bp(1bp=0.01%포인트) 상승한 4.724%를 기록했다. 30년물 수익률은 4.43bp 오른 5.3103%로 2007년 이후 최고 수준을 기록했다. 바클레이스의 안슐 프라단 애널리스트는 월요일 보고서에서 "부진한 경제지표는 장기물 국채 금리를 낮췄어야 했다"며 "그런데도 30년물 국채는 2001년 이후 가장 높은 금리로 입찰됐고, 이후 금리는 오히려 더 상승했다"고 지적했다. 미 달러화.[사진=로이터 뉴스핌] 그는 "악화하는 재정 전망, AI에 따른 기업들의 장기물 채권 공급 확대, 가격에 민감해진 투자자층이 그 이유를 설명하는 데 도움이 된다"고 분석했다. 이날 블룸버그통신도 'AI가 국채 금리를 밀어 올리고 있다'는 제목의 기사에서 빅테크의 AI 차입이 미국의 장기 금리를 높은 수준에 묶어두고 있다고 지적했다. 그러면서 신용도가 매우 높은 기업이 국채보다 훨씬 나은 조건을 제시하자 국채를 팔아 그 돈으로 회사채를 사는 흐름이 나타나고 있다고 설명했다. 이번 주 주요 경제지표 발표가 많지 않은 상황에서 투자자들은 중동 정세와 연방준비제도(Fed·연준)의 통화정책 향방에도 관심을 보였다. 이란의 한 고위 당국자는 이날 로이터에 이란이 대응 태세를 "전면 공세"로 전환하기로 결정했다고 밝혔다. 도널드 트럼프 미국 대통령 역시 폭스뉴스를 통해 이란이 항복해야 한다고 압박하면서 중동의 지정학적 긴장이 지속되고 있다. 다만 시장은 장기화하는 미·이란 갈등에 점차 익숙해지는 분위기다. DRW 트레이딩의 루 브리언 시장 전략가는 "지나치게 자극적인 헤드라인에 시장이 조금 무뎌지고 있는 시점에 이른 것 같다"고 말했다. 통화정책 전망에 민감한 2년물 국채 수익률은 0.9bp 상승한 4.18%를 기록했고, 2년물과 10년물 국채 금리 차이는 54.7bp로 확대됐다. ◆ 수요일 FOMC 의사록·20년물 입찰…채권시장 변동성 변수 이번 주 채권시장에서는 수요일이 주요 분기점이 될 전망으로, 연준은 이날 최근 연방공개시장위원회(FOMC) 회의 의사록을 공개한다. 지난달 케빈 워시 연준 의장의 첫 기자회견 이후 채권시장이 불안정한 반응을 보였던 만큼 의사록에서 향후 금리 경로에 대한 단서를 찾으려는 투자자들의 관심이 클 것으로 예상된다. DRW 트레이딩의 브리언 전략가는 "워시는 시장에서 그가 연준 내에서 자신의 독자적인 판단을 하는 인물이라기보다 트럼프 측 인사라는 생각을 완전히 없애지는 못했다"고 지적했다. 이날 뉴욕 연방준비은행이 발표한 뉴욕주 제조업 활동 지표는 4년여 만에 가장 높은 수준으로 급등해 미국 경기의 일부 회복 신호를 보여줬다. 미 재무부의 20년물 국채 입찰도 같은 날 예정돼 있어 장기물에 대한 투자자 수요를 가늠할 주요 이벤트로 꼽힌다. 한편 시장이 반영하는 중장기 인플레이션 기대는 비교적 안정적이다. 5년물 물가연동국채(TIPS) 기대인플레이션율은 2.255%, 10년물은 2.284%를 기록했다. 이는 시장이 향후 10년간 미국의 연평균 물가상승률을 약 2.3% 수준으로 예상하고 있음을 의미한다. ◆ 연준 금리 인상 기대 후퇴에 달러 약세 달러화는 연방준비제도(Fed·연준)의 추가 금리 인상 가능성이 낮아지면서 약세를 보였다. 최근 발표된 미국 경제지표가 잇따라 예상보다 부진하게 나오면서 시장의 연준 금리 인상 전망이 후퇴한 영향이다. 지난주 발표된 7월 소비자물가지수(CPI)와 생산자물가지수(PPI)는 물가 압력이 다소 완화되고 있음을 시사했다. 여기에 7월 소매판매가 예상 밖으로 감소하면서 미국 경제의 성장세가 기존 전망만큼 견조하지 않을 수 있다는 우려도 커졌다. 이에 시장에서는 연준의 9월 금리 인상 가능성을 한층 낮게 반영했다. 주요 통화 대비 달러화 가치를 보여주는 달러인덱스는 0.06% 내린 99.6을 기록했고, 유로화는 0.09% 오른 1.1579달러에 거래됐다. 유로화는 장중 1.1614달러까지 올라 6월 17일 이후 최고치를 기록했다. 시장의 시선은 향후 연준의 통화정책 신호로 향하고 있다. 특히 최근 경기·물가 지표가 잇따라 둔화하면서 연준이 당분간 금리 인상을 서두르지 않을 것이란 전망이 달러화에 추가 하방 압력을 가할 수 있다는 분석이다. 엔화는 장 초반 상승분을 반납하고 달러당 159.49엔 수준으로 0.11% 하락했다. 일본의 경제성장률이 예상보다 부진하게 나온 것도 엔화에 부담이 됐다. 앞서 일본과 미국 당국은 엔화 약세를 막기 위해 7월 말 외환시장에 개입했다. 모간스탠리의 데이비드 애덤스가 이끄는 애널리스트들은 투자자 노트에서 "시장이 일본은행의 금리 인상 사이클이 더욱 가팔라질 것으로 반영하고 있지만, 글로벌 위험선호가 강하고 미국의 최종금리 전망이 높은 수준을 유지한다면 미국의 물가 상승률이 다소 완만하게 나온 상황에서도 달러/엔 환율은 상승할 수 있다"고 분석했다. kwonjiun@newspim.com 2026-08-18 06:39
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