AI와 반도체

반도체, AI 시대를 견인하다.
AI 시대의 도래를 이끈 반도체 기술의 흐름과 구조적 전환, 그리고 양자의 공진화를 면밀히 살펴본다. 엔비디아의 GPU는 AI 가속기로서 AI 생태계를 구축했고, 구글은 트랜스포머 아키텍처와 TPU로 AI 혁신을 선도했다. 제프리 힌턴과 젠슨 황 같은 AI와 반도체 발전의 주역을 통해 시대적 전환점을 조명한다. 이 책은 무어의 법칙과 데나드 스케일링 같은 반도체 원리를 바탕으로, 3나노 공정·HBM 등 최신 기술이 AI 연산에 어떤 변화를 주었는지를 설명한다. 특히 GPU, TPU, NPU로 대표되는 AI 특화 반도체의 차별성과 활용 사례를 비교 분석한다. 또한 반도체 산업에서 AI가 회로 설계와 제조 공정을 어떻게 혁신하고 있는지, 뉴로모픽 칩과 양자 컴퓨팅이 AI의 미래에 어떤 가능성을 열고 있는지도 흥미롭게 소개한다. AI 반도체는 더 이상 특정 산업의 전유물이 아닌, 미래 산업과 사회를 바꾸는 핵심 인프라임을 설득력 있게 보여 준다.

AI 시대를 이끈 반도체 기술의 진화와 역할을 조명한다. GPU·TPU·NPU 등 AI 특화 칩과 뉴로모픽, 양자 컴퓨팅까지 AI와 반도체의 공진화를 소개한다.

최종수
삼성전자 DS 부문 산학협력교수이며, 숭실대학교 IT대학 AI융합학부 겸임교수다(2023∼). 캐나다 오타와대학교 전기 및 컴퓨터과학과에서 신경회로망과 신호처리 연구로 박사 학위를 받았다. 삼성전자 통신연구소와 DMC연구소에서 이동통신 표준 기술을 연구했고, 국제 이동통신 표준 규격을 개발하는 3GPP에서 삼성전자 Delegate로 활동했으며(2005∼2014), 3GPP TSG-GERAN 부의장을 지냈다(2007∼2011). 같은 기간에 삼성전자 영국 연구소 Standards & Technology Enabling Director로 근무했다(2009∼2011). 이후 삼성전자 System LSI 사업부에서 Exynos 브랜드로 알려진 Mobile SoC 제품 마케팅 디렉터(2014∼2021)로 근무했고 AVP사업팀에서 Advanced Package 마케팅 전략을 리드했다(2022∼2023). 현재 인공지능 반도체와 인공지능 응용 기술을 연구하고 있다.

AI 시대 도래를 이끈 반도체

01 AI의 등장과 반도체의 진화
02 AI를 위한 반도체 설계
03 AI 가속기 들여다보기
04 AI 학습과 추론을 위한 반도체
05 AI와 메모리 반도체
06 AI 반도체 제조 공정과 이종 집적
07 반도체 산업의 AI 활용
08 AI 반도체의 에너지 효율과 지속 가능성
09 미래 반도체 기술과 AI
10 AI와 반도체를 둘러싼 사회적 도전

AI 산업이 성장하면서 데이터센터에 탑재할 자체 AI 반도체를 개발하는 빅테크 기업 사례가 증가하고 있으며, IT 인프라를 운영하는 엔터프라이즈 시장이 확대될수록 새로운 NPU를 개발하는 회사도 점차 증가하는 추세다. 대표적인 회사로 ‘반도체 설계의 전설’ 짐 켈러(Jim Keller)가 이끄는 캐나다의 텐스토렌트(Tenstorrent)가 AI 하드웨어 가속기 시장에서 주목을 받고 있고, 국내에서도 퓨리오사AI(FuriosaAI), 리벨리온(Rebellions) 등이 추론에 특화된 NPU 칩을 개발하고 있다.
－01_“AI의 등장과 반도체의 진화” 중에서

AI 가속기의 성능은 메모리 대역폭의 한계와 밀접한 관련이 있다. CPU, 주기억 장치, 그리고 입출력 장치의 3단계 구조로 이루어진 전통적인 프로그램 내장형 컴퓨터 구조인 폰 노이만(Von Neumann) 방식은 메모리와 연산 장치 사이의 데이터 전송 속도 한계로 병목현상(Bottleneck Effect)이 발생하는데, 이를 폰 노이만 병목현상이라 한다. 대규모 데이터 처리가 필요한 AI 모델 연산에서 병목현상은 연산 효율을 크게 저하할 수 있다.
－03_“AI 가속기 들여다보기” 중에서

첨단 패키지 기술은 기존 2차원(2D)에서 벗어나 2.5D 및 3D 기술로 진화해 칩의 집적도를 높이고 전력 효율을 개선하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 2.5D 패키지 기술은 실리콘 인터포저(Silicon Interposer)를 사용해 여러 개의 칩을 수평으로 배치하고 연결하는 방식이다. 이 기술은 칩 간의 연결을 최적화해 데이터 전송 속도를 높이고 전력 소비를 줄이는 데 효과적이다. 예를 들어 엔비디아의 GPU 가속기는 2.5D 패키지 기술을 통해 GPU와 여러 개의 고대역폭 메모리(HBM)를 인터포저를 통해 수평으로 연결해 데이터 전송을 용이하게 해 높은 성능을 발휘한다. 3D 패키지 기술은 칩을 수직으로 쌓아 올리는 방식으로, 실리콘 관통 전극 기술(TSV)을 사용해 칩 간의 직접 연결을 가능하게 한다. 3D 패키지 기술을 적용한 대표적인 예가 바로 HBM이다.
－06_“AI 반도체 제조 공정과 이종 집적” 중에서

AI 반도체 기술의 발전은 AI 시스템의 성능과 에너지 효율을 향상할 것으로 예상된다. 예를 들어 뉴로모픽 칩 기술은 인간 뇌의 구조를 모방해 매우 낮은 전력 소비로 복잡한 AI 작업을 수행할 수 있고, 양자 컴퓨팅 기술이 AI와 결합하면 현재의 슈퍼컴퓨터로도 해결하기 어려운 복잡한 문제들을 효율적으로 처리할 수 있을 것이다. 이러한 기술 발전은 AI 모델의 규모와 복잡성을 증가시키면서도 에너지 소비를 줄일 수 있어, 더욱 지속 가능한 AI 시스템 구축도 가능하게 할 수 있다.
－09_“미래 반도체 기술과 AI” 중에서