전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이

[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
트럼프 "19일 서명·해협 개방 동시에" [워싱턴=뉴스핌] 박정우 특파원 = 도널드 트럼프 미국 대통령은 14일(현지시간) 이란과의 협정 체결을 계기로 호르무즈 해협이 재개방될 것이라고 밝히며, 중동 지역의 긴장 완화와 원유 수송 정상화에 대한 기대를 재차 강조했다. 트럼프 대통령은 이날 소셜미디어 트루스 소셜에 올린 게시글을 통해 "이번 위대한 합의는 중동 전역에 평화와 안보를 가져올 것"이라며 "금요일(19일) 협정 서명과 동시에 해협이 개방되고, 기뢰 제거 작업을 위해 일정 시간이 필요하다"고 밝혔다. 이어 "이를 통해 역내는 물론 전 세계를 향한 원유 흐름이 양방향으로 다시 정상화될 것"이라고 주장했다. 그는 또 "많은 미국 대통령들이 이란과의 평화를 시도했지만 모두 실패했다"며 "역내 지도자들은 처음으로 진정한 평화를 달성할 수 있도록 도울 대통령을 찾았다"고 자평했다. 이는 자신이 추진 중인 대이란 협상이 기존 외교적 시도, 특히 버락 오바마 전 대통령의 이란 핵협정(JCPOA)rhk 차별화된 성과를 낼 것이라는 점을 부각하려는 발언으로 풀이된다. 앞서 트럼프 대통령은 별도의 게시글을 통해 이란 항구에 대한 미 해군의 봉쇄 조치를 "즉각 해제하도록 승인했다"고 밝힌 바 있어, 이번 발언은 군사적 긴장 완화와 해상 교통 정상화를 병행하는 조치의 연장선으로 해석된다. 다음은 트럼프 대통령의 게시글 전문 번역이다. "이번 위대한 합의는 중동 전역에 평화와 안보를 가져올 것이다. 많은 대통령들이 이란과의 평화를 만들려고 시도했지만, 나 이전에는 모두 실패했다. 역내 지도자들은 처음으로 진정한 평화를 달성할 수 있도록 도울 수 있는 대통령을 찾았다. 금요일 협정 서명과 함께 해협이 개방되면, 기뢰 제거를 위한 목적에서 일정 시간이 소요되겠지만, 역내와 전 세계를 향한 원유가 양방향으로 다시 흐르게 될 것이다. 도널드 J. 트럼프 대통령" 도널드 트럼프 미국 대통령의 소셜미디어 트루스소셜 게시글. [사진=트루스 소셜] dczoomin@newspim.com 2026-06-15 08:19
사진
김명수 前합참의장 구속심사 출석 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 12·3 비상계엄에 가담한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장이 15일 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 받기 위해 법원에 출석했다. 서울중앙지법 부동식 내란영장전담 부장판사는 이날 오전 9시 30분부터 내란중요임무종사 혐의를 받는 김 전 의장에 대한 영장실질심사에 들어갔다.  12·3 비상계엄에 가담한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장이 15일 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 받기 위해 법원에 출석했다. 사진은 서울 서초구 서울중앙지법 전경. [사진=뉴스핌DB] 이날 심문에 참석한 2차 종합특별검사팀의 김정민 특검보는 "계엄 당시 상황을 잘 설명드리고 당시 합참이 국민이 바라는 바를 전혀 이행하지 못했다는 점을 강조할 것"이라며 "조사 과정에서 계엄을 막고자 행동했던 사람들은 영장 청구 대상에서 제외했고, 현재 심사 대상이 된 사람들은 국민적 요구를 제대로 이행하지 못한 것이 가장 큰 잘못"이라고 말했다. 김 전 의장이 혐의를 부인하는 것과 관련해서는 "법의 세세한 규정을 가지고 의무가 있느냐 없느냐를 따지는 것은 형식 논리"라며 "현역 군인 군령권자 서열 1위인 합참의장이 이 사태에 대해 아무것도 하지 않았고, 이후 '아무것도 할 수 없었다'고 변명하는 것은 국민 상식에 반한다"고 지적했다. 이어 "이번 심사에서는 김 전 의장이 실제로 아무것도 할 수 없는 위치가 아니었다는 점을 정확히 지적할 것"이라고 덧붙였다. 김 특검보는 김 전 의장의 행위가 단순 부작위에 그치지 않았다고도 주장했다. 그는 "계엄 상황실 조성에 협조했고 계엄사 부사령관, 기조실장, 상황실 핵심 인력 대부분이 합참 요원이었다"며 "단편 명령 역시 적극적 지원 행위의 한 예"라고 설명했다. 이어 "참모들과 국가안보실장까지 국회에 투입된 병력 철수를 건의했지만 이를 묵살했다"며 "이는 단순한 도덕적 문제가 아니라 명확한 법적 의무 위반이라고 보고 있다"고 강조했다. 같은 혐의를 받는 이재식 전 합참 전비태세검열차장과 정진팔 전 합참 차장, 김흥준 전 육군본부 정책실장의 영장실질심사는 각각 15일 오전 11시, 오후 2시, 오후 3시 30분에 열린다. 이들은 모두 내란중요임무종사 혐의를 받고 있다. 2차 종합특검은 지난 9일 김 전 의장 등 4명에 대해 사전구속영장을 청구했다.  서울중앙지법 부동식 내란영장전담 부장판사는 15일 오전 9시 30분부터 내란중요임무종사 혐의를 받는 김명수 전 의장에 대한 영장실질심사를 진행한다. 사진은 김명수 전 합참의장이 지난 5월 27일 2차 종합특별검사팀에 출석하는 모습. 2026.05.27 yek105@newspim.com 특검은 김 전 의장이 비상계엄 당시 합참 지휘통제실에서 국회 등에 군 병력이 투입되는 상황을 인지하고도 계엄사령부 구성에 참여하고, 특전사와 수방사에 '계엄 사무를 우선하라'는 취지의 지시를 내린 것으로 보고 있다. 특검은 또 김 전 의장이 계엄 선포 절차의 위법성 문제와 국회 투입 병력 철수 필요성에 대한 보고를 받았음에도 별다른 조치를 하지 않았다는 진술과 관련 자료를 확보한 것으로 알려졌다. 반면 김 전 의장은 특검 조사 과정에서 윤석열 전 대통령의 비상계엄 계획을 사전에 알지 못했으며, 당시 군은 안보 공백 방지와 우발적 충돌 예방을 위한 임무를 수행했을 뿐이라는 입장을 밝혔다. 김 전 의장 등의 비상계엄 가담 의혹은 종합특검의 첫 인지 사건으로, 이번 영장실질심사 결과는 향후 특검 수사의 향방을 가를 첫 분수령이 될 것으로 보인다. pmk1459@newspim.com 2026-06-15 10:17
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