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
정용진 회장, 스타벅스 대표 해임 ▲ ▲ 정용진 신세계그룹 회장. (사진=신세계그룹)[mdtoday = 양정의 기자] 신세계그룹이 5·18 광주민주화운동 기념일에 스타벅스코리아가 ‘탱크데이’ 이벤트를 진행한 데 대한 책임을 물어 손정현 대표를 즉시 해임했다. 논란이 커지며 정용진 회장이 직접 강한 조치를 지시한 것으로 전해졌다. 회사는 이번 조치를 금일 확정했다고 밝혔다. 함께 행사를 기획하고 주관한 담당 임원도 해임 대상에 포함됐으며, 관련 임직원 전반에 대해서는 징계 절차에 들어갈 계획이다.정용진 회장은 이번 논란과 관련해 책임자와 관계자에게 중징계를 내릴 것을 직접 지시한 것으로 전해졌다. 정 회장은 특히 이번 사고가 5.18 광주 민주화 운동의 숭고한 정신을 기리는 기념일에 발생한 점을 심각하게 받아들였고, 다시는 이런일이 재발하지 않도록 그룹이 취할 수 있는 가장 강한 수준의 조치를 주문했다고 한다.신세계그룹은 “정용진 회장은 이번 일을 보고받은 즉시 엄정하고 철저한 내부 조사를 지시했다”고 밝혔다. 이어 이번 사안을 매우 중대하게 보고 대표이사 해임이라는 결정을 내렸다고 설명했다.그룹은 향후 유사 사태의 재발을 막기 위해 업무 프로세스를 재정비하고, 조직 내에서 올바른 역사 인식을 세우는 데도 힘을 쏟겠다는 방침이다. 이 기사는 메디컬투데이가 제공하는 기사입니다. 2026-05-18 22:09
사진
Z폴드8 '300만원 시대' 여나 [서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 삼성전자 스마트폰 평균 판매가격(ASP)이 올해 1분기 전년 대비 23% 상승한 것으로 나타났다. 인공지능(AI) 반도체 수요 급증으로 모바일 메모리와 애플리케이션프로세서(AP), 카메라모듈 등 핵심 부품 가격이 급등하면서 제조 원가 부담이 커진 영향이다. 오는 7월 공개 예정인 갤럭시 Z폴드8·Z플립8 역시 가격 인상 압력이 거세 새 폴더블폰은 300만원 시대에 진입할 것이란 전망이 나온다. 18일 삼성전자 분기보고서에 따르면 올해 1분기 스마트폰 평균 판매가격은 지난해 연간 평균 대비 약 23% 상승했다. 지난해 사업보고서에서 연간 평균 판매가격이 전년 대비 3% 하락했던 것과는 대조적인 흐름이다. [AI 인포그래픽=서영욱 기자] 가격 상승 배경으로는 AI 서버용 반도체 수요 급증에 따른 메모리 공급 부족과 첨단 공정 전환에 따른 부품 원가 상승이 꼽힌다. 삼성전자는 디바이스경험(DX)부문 주요 원재료 가격 변동 현황에서 모바일AP 솔루션 가격이 전년 대비 약 12% 상승했고 카메라모듈 가격은 약 15% 올랐다고 밝혔다. 특히 모바일용 메모리 가격은 107% 급등했다. 2배 이상 오른 셈이다. 글로벌 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 지난 1분기 스마트폰 부품 원가(BOM)에서 메모리가 차지하는 비중은 10~15% 수준에서 30~40%까지 올랐다. 스마트폰에 들어가는 저전력 모바일 D램인 LPDDR4X와 LPDDR5X는 지난 1분기 가격이 전 분기 대비 58~63% 올랐다. 메모리 가격 급등으로 제조 원가 부담이 커지면서 삼성전자는 올해 초 출시한 갤럭시 S26 시리즈 가격을 전작 대비 약 6~16% 인상했다. 여기에 지난달에는 갤럭시 S25 엣지와 갤럭시 Z플립7·폴드7 가격도 9만~19만원 가량 올리며 기존 출시 모델까지 가격 인상에 나섰다. 업계에서는 오는 7월 공개 예정인 갤럭시 Z폴드8·Z플립8 역시 가격 인상 압력을 피하기 어려울 것으로 보고 있다. 현재 시장에서는 기본형 가격은 전작 수준을 유지하되 512GB·1TB 등 고용량 모델 중심으로 가격이 오를 가능성이 큰 것으로 보고 있다. 특히 모바일 메모리 가격 상승세가 2분기 들어 더 가팔라질 것으로 예상되면서 폴더블 원가 부담도 커지고 있다. 서울 강남구 삼성 강남 매장을 찾아 새롭게 출시된 '갤럭시 S26' 시리즈 [사진=뉴스핌DB] 시장조사업체 트렌드포스는 올해 2분기 스마트폰용 LPDDR4X 가격이 전분기 대비 70~75%, LPDDR5X는 78~83% 급등할 것으로 전망했다. 1분기 상승 폭 보다 더 가팔라질 것이란 전망이다. AI 기능 강화로 스마트폰 한 대에 들어가는 메모리 용량 자체가 늘어나고 있는 데다 메모리 업체들이 AI 서버용 고대역폭메모리(HBM) 생산 확대에 집중하면서 모바일용 LPDDR 공급까지 빠듯해지고 있다는 분석이다. 전작인 갤럭시 Z폴드7의 경우 지난달 가격 인상으로 1TB 용량 제품이 이미 300만원(312만7300원) 넘어선 바 있고 512GB 제품도 263만원까지 올랐다. 출시를 앞두고 있는 Z폴드8은 512GB 제품이 300만원에 육박할 것이라는 전망이다. 모바일업계에서는 삼성전자가 AI 기능과 고용량 메모리를 앞세운 프리미엄 전략을 강화하면서 수익성 중심의 사업 구조 전환에 속도를 낼 것으로 보고 있다. syu@newspim.com 2026-05-18 14:13
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