[편집자] 4차 산업혁명은 모든 사물과 인간을 연결하여 빅데이터를 모으고, 이를 이용하여 인공지능으로 학습하여, 결국 인공지능이 인간을 대체하는 시대를 말한다. 이러한 4차 산업혁명의 물결이 산업뿐만 아니라 경제, 사회, 정치 등 전 분야에 걸쳐서 막대한 변화를 일으키고 있다.

글로벌뉴스통신사 뉴스핌은 '김정호의 4차혁명 오딧세이' 칼럼을 매주 연재하여 4차 산업혁명의 본질과 영향, 그리고 전망을 독자들에게 쉽게 소개하고자 한다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅으로 표현할 수 있으며 그 핵심 부품이 반도체이다. 이들 핵심 기술의 개념과 원리, 응용을 설명하여 일반 독자들이 4차 산업혁명에 대해서 공감하고 이해하며 더 나아가 개인과 기업, 국가의 미래를 계획하는 것을 돕고자 한다.

김정호 카이스트(KAIST) 전기 및 전자공학과 교수는 서울대 전기공학과를 졸업하고 미국 미시건대에서 박사 학위를 받았다. AI대학원 겸임교수, IEEE펠로우, 카이스트 ICT석좌교수, 한화 국방 인공지능 융합연구 센터장, 삼성전자 산학협력 센터장 등을 겸하고 있다.

치열한 중국의 추격

지난주 중국 저장성(浙江省)에 있는 저장대 국제 캠퍼스에서 'EMC COMPO 2019' 국제 학회가 열렸다. 학회에서의 주된 발표 내용은 반도체에 발생하는 전자파와 관련된 연구 결과의 학술적, 기술적 내용이다.

이를테면, 반도체에서 발생하는 전자파를 줄이는 방법, 차단하는 방법, 걸러내는 방법, 또는 외부에서 반도체로 공격하는 전자파를 막거나 완화하거나 피하는 방법들이다. 구체적으로는 설계 기술, 재료 기술, 모델링 기술, 측정 기술들이 포함된다.

김정호 교수

이러한 전자파 차단 또는 회피 기술은 전통적으로 자동차, 항공기, 군사 무기시스템, 인공위성 설계와 개발에 핵심적인 기술이다. 특히 전자파에 의한 자동차 급발진 문제와 같은 안전에 치명적인 문제들을 방지하고자 하는 기술이다. 주로 미국, 프랑스, 독일, 일본, 중국과 한국에서 연구한다.

EMC COMPO 학회는 약 20년 전에 프랑스 툴루즈(Toulouse)대학에서 시작했다. 프랑스 남부도시인 툴루즈에는 에어버스와 같은 항공기 회사를 비롯한 첨단 기술 회사뿐만 아니라, 군수 기업, 우주산업 기업들이 있다.

톨루즈 대학교수들은 유럽연합(EU)의 연구비 지원과 독일의 자동차 반도체 회사 인피니온 등의 도움을 받아 오랫동안 이 분야를 연구해 왔다. 이 연구 분야는 여기에 머물지 않고 4차 산업혁명 시대의 핵심 기기인 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능 서버 등으로 기술 적용 범위가 계속 확대되고 있다.

3년 전 중국 저장대 국제 캠퍼스를 방문했을 때, 학교는 논과 밭으로 덮여있었고 크레인만 보이고, 흙먼지 날리는 트럭만 보였다. 그 짧은 3년 만에 완전히 바뀌었다. 수만 평의 거대한 국제 캠퍼스를 설립했다. 멋진 강의실, 도서관, 강당과 호수도 조성됐다. 해외 유명 대학의 교수들을 초청하고, 해외 학생들도 유치해 이제 막 국제 캠퍼스의 모습을 갖추기 시작했다.

여기서도 이제 반도체 전자파 연구가 시작됐다. 학생들의 눈빛이 초롱초롱하다. 이런 대학이 중국에는 100개도 넘는다.

2019년 10월 21일 중국 저장대학교에서 열린 EMC COMPO2019 기조연설 장면 사진. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에서도 전자파가 발생해

가정에서는 냉장고, 선풍기, 마이크로웨이브 오븐뿐만 아니라 전열기 등에서 전자파가 많이 발생한다. 특히 모터와 전열기에는 큰 전류가 흐르고, 코일이 설치돼 있어 전자파가 많이 나오고 차폐하기도 어렵다.

그런데 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 항공기에 사용되는 가장 중요한 부품인 반도체에서도 위험한 고주파 전자파가 많이 나온다.

특히 고성능 CPU나 GPU에서 고주파 전자파가 많이 발생한다. 가장 큰 이유는 이들이 큰 스위칭(Switching) 전류를 쓰기 때문이다. 논리 연산에서 전압 레벨이 '0'에서 '1'로 변하거나 '1'에서 '0'으로 변하는데, 이때 고주파 전류가 많이 흐른다.

더욱이 빠른 인공지능 계산 속도를 위해서는 프로세서가 데이터를 외부 메모리와 주고받아야 하는데, 그때 커다란 전류 스위칭 동작이 일어난다. 인공지능 컴퓨터에서는 병렬 프로세서가 사용되는데 연결선의 숫자도 많고, 전류도 많이 흐르고, 스위칭 주파수도 높다. 그래서 어느 반도체보다도 인공지능 반도체가 고주파 전자파를 많이 발생시킨다.

이러한 전자파는 주변 회로나 시스템에 영향을 미쳐 시스템의 오동작을 일으킬 수 있다. 예를 들어 인공지능의 학습이나 판단을 위한 데이터가 전자파에 의해서 변경될 수 있다. 그러면 인공지능이 오동작을 할 수 있다.

또한 전자파 간섭에 의해서 센서 신호나, 메모리 속의 데이터가 변경될 수 있다. 인공지능이 센서 입력 기반으로 학습하고 판단한다. 그래서 만일 전자파 때문에 데이터가 변경된다면 인공지능 자율주행 자동차는 치명적인 사고로 이어질 수 있다.

자율주행 자동차뿐만 아니라 스마트폰에는 많은 안테나를 내장해 외부와 통신한다. 자율자동차의 경우, 이 통신 신호에 기반해 위치와 운행을 결정한다. LTE, 5G뿐만 아니라 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth) 등 멀티미디어 통신에도 간섭을 일으킨다. 이러한 전자파 중에서 고주파 전자파는 대부분 그 원인이 반도체에 있다.

고성능 계산용 프로세서 반도체에서 발생하는 고주파 전자파 노이즈의 파형. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에 필요한 융합 기술

인공지능 반도체에서 발생하는 전자파를 최대한 줄이기 위해서는 차폐를 잘해야 한다. 금속 박막이나 금속선으로 전자파가 새 나가는 것을 막는다. 또는 전송선 구조를 완전한 밀폐 구조로 만든다. 그러려면 더 많은 금속선과 금속박막이 사용된다. 금이나 구리를 더 많이 사용한다. 결국 비용이 증가한다.

또는 회로와 전력 공급망에 고주파 필터를 더 많이 설치해야 한다. 그러면 프로세서 주변에 수백 개의 전원 필터가 달릴 수도 있다. 결국 인공지능 반도체의 비용이 증가할 수밖에 없다. 이와 같은 현상은 클라우드 서버용 인공지능 반도체뿐만 아니라 자율주행 자동차, 스마트폰용 인공지능 반도체에도 모두 해당한다.

인공지능, 반도체, 전자파는 완전히 다른 기술 분야로 생각하기 쉽다. 인공지능은 알고리즘과 소프트웨어로 표현되고, 반도체는 손톱만한 칩으로 보이고, 전자파는 눈에 보이지 않기 때문이다.

대학에서 배우는 전공과목도 다르고, 교과서도 다르고, 지도교수도 다르다. 활동하는 학회도, 학술지도 다르다. 분야마다 사용하는 언어나 방법뿐만 아니라 문화도 다르다. 그런데 인공지능 시스템을 개발하려면, 더 나아가 인공지능용 반도체를 개발하려면 이 모두를 아우르고 고려해서 개발해야 한다. 바야흐로 인공지능 기술은 융합과 복합 기술이다.

MEMRISTOR와 HBM으로 대표되는 인공지능 반도체의 구조. [출처=KAIST]

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