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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능과 GPU

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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

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히든스테이지 대상에 '심각한 개구리' 수상 [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원하는 제4회 싱어송라이터 경연 대회 '히든스테이지'가 다수의 실력 있는 싱어송라이터를 발굴하며 막을 내렸다. 7일 서울 동대문구에 위치한 KOCCA콘텐츠문화광장 내 스테이지66에서는 제4회 '히든 스테이지'가 개최됐다. 이번 결선에는 김은찬밴드, 박희수, 신직선, 심각한개구리, 오아(OHAH), 윤준, 윤태경, 채수빈, 채비(Che!vee), 혼즈(Hon'z)까지 총 10팀이 이름을 올렸다. [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 유근석 뉴스핌대표가 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 최우수상을 수상한 참가번호 8번 심각한개구리와 기념촬영을 하고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최, 주관하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com 결선 무대에서 참가자 심각한 개구리는 '불을 밝혀라'를 선곡했다. 해당 곡은 비참한 세상 속에서도 서로를 일으켜주며 다시 살아가는 사람들의 노래로, 우리 마음속에 꺼져가는 불을 다시 밝히자는 내용이 담겼다. 무대에 오른 심각한 개구리는 안정적인 중저음을 자랑하며 경쾌한 분위기의 곡을 활기차게 이끌었다. 심사위원을 맡은 배순탁 대중음악평론가는 심각한 개구리의 무대에 대해 "제일 마음에 들었던 점은, 곡 주제의 독창성"이라고 밝혔다. 이어 "대혐오의 시대에 대해 희망을 놓지 말자, 선의가 흐르고 있다는 걸 노래했다는 게 가장 마음에 들었다. 인상 깊게 잘 들었다"고 호평했다. 정민재 심사위원은 "영상 심사 때부터 인상 깊게 들었다. 초반에는 긴장했던 것 같다. 후반으로 갈수록 잘 풀려서 자신만의 페이스로 잘 꾸민 것 같다. 음악적으로 매력적이라고 느꼈고, 본인의 메시지와 소리를 잘 가지고 있는 싱어송라이터라고 생각한다"고 덧붙였다. 예선부터 본선, 그리고 결선 무대까지 모두 끝낸 후 만난 심각한 개구리는 후련한 표정을 지으며 대상 소감을 전했다. [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 참가번호 8번 심각한개구리가 경연을 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com "일단 오디션이 끝나서 너무 후련합니다. 예선과 본선, 결선까지 세 차례나 진행이 됐기 때문에 긴장감이 유지되는 경연대회였어요. 일단 후련하다는 마음이 가장 크고, 대상을 받아서 너무 행복해요. 하하." 심각한 개구리는 결선 무대에서 다소 긴장한 모습을 보였지만, 심사위원의 호평을 받으며 대상과 상금 500만원을 품에 안았다. "수상은 사실 어느 정도 예상은 했어요(웃음). 심사위원들께서 너무 좋은 평가를 해주셨거든요. 그래서 기대를 해봐도 되겠다 싶더라고요. 또 이번 노래가 '히든 스테이지'의 취지에 맞는 음악이라고 생각했어요. 평소에는 마냥 긍정적인 음악을 만들었는데, 이 노래는 세상에 대한 불만을 포함한 노래였거든요. 그래서 이 곡으로 결선에 나가면 결과가 좋지 않을까 생각했는데, 대상을 받아서 너무 행복해요." 활동명 '심각한 개구리'에는 '심각한'이라는 말이 붙지만, '고민 끝에 행복을 노래하는 싱어송라이터'라는 의미가 있다. 그동안 행복하고 긍정적인 노래만 해온 심각한 개구리는 처음으로 세상에 대한 불만을 노래했다. "사실 밝은 음악만 했던 이유가, 부정적인 이야기를 하면 결과가 좋지 않을 거라는 생각 때문이었어요. 그런데 이번에 '불을 밝혀라'로 결선 무대에 나왔고, 심사위원들의 평가를 들으니까 속 깊은 어려운 이야기에도 진심을 담았을 때 결과가 좋을 수 있다는 걸 깨달았습니다. 앞으로 이런 어렵고 어두운 이야기도 용기 있게 펼칠 수 있을 것 같습니다." [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 참가번호 8번 심각한개구리가 경연을 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com 심각한 개구리는 싱어송라이터로 활동한지 10년이 됐다. 올해로 10년차에 접어든 그는, 이번 수상의 기쁨을 가족에게 돌리고 싶다며 환한 웃음을 지었다. "어머니는 가수로 활동을 하셨고, 아버지는 시인이세요. 그동안 오디션에 나가서 1등을 못했었거든요. 올해 목표가 1등이었는데, 이번 수상 소식을 부모님에게 먼저 전하고 싶어요. 저도 언론매체 뉴스핌에서 진행한 오디션에서 1등을 했다고 당당하게 전하고 싶어요. 부모님이 그동안 제 곡을 듣고 나서 부족한 점을 말해주셨는데, '불을 밝혀라'를 듣고 나서는 저만의 개성이 생긴 것 같다는 말을 해주셨거든요. 그래서 더 확신을 갖고 결선 곡으로 정했는데, 결과까지 완벽한 것 같아요." 제4회 '히든 스테이지' 대상이 주인공이 된 심각한 개구리는 앞으로의 음악 활동 계획에 대해 "상금을 단독 공연을 하는데 쓰고 싶다"고 밝혔다. [서울=뉴스핌] 김규빈 기자 = 참가자 심각한 개구리가 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 뉴스핌 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지' 결선에서 무대를 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 "결선 때 부른 '불을 밝혀라'가 포함된 미니앨범이 10월 14일에 나와요. 앨범명이 '추락한 개구리'인데, 꿈과 희망을 갖고 세상을 비행했던 개구리가 세상의 풍파를 맞고 추락한 내용을 담았어요. 세상의 아픔과 외로움을 노래하려고 해요. 기존에 들었던 음악과 달리 진지하고 조용하고, 어쩌면 심각한 앨범인데 많이 들어주셨으면 좋겠어요. 그리고 이번에 받은 상금으로 단독 공연을 해보려고 해요. 공연을 할지 말지 고민했는데, 이렇게 된 거, 한 번 추진해 보겠습니다!" 제4회 '히든 스테이지' 심사는 배순탁, 김도헌, 정민재 대중음악평론가가 맡았다. 심사는 음악적 완성도와 가사 표현력 및 메시지, 가창력과 무대 표현력을 중점으로 진행됐다. 그 결과, 문화체육관광부 장관상인 대상(500만원)은 심각한 개구리가 수상했다. 이어 한국콘텐츠진흥원장상 최우수상(300만원)은 윤태경, 우수상(200만원)은 김은찬 밴드, 루키상(200만원)은 신직선에게 돌아갔다. alice09@newspim.com 2026-10-07 17:15
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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.
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