[디지털투데이 양대규 기자] 구글의 알렉사와 네이버의 클로바 등 인간의 목소리로 작동하는 스피커, 애플 아이폰의 시리와 삼성전자 갤럭시의 빅스비와 같은 스마트폰 애플리케이션. 인간의 패턴을 학습해 광고를 보여주는 웹사이트. 그리고 인간을 이긴 바둑 로봇 알파고.

이미 우리 생활에 구현된 인공지능(AI)들이다. AI는 빅데이터를 활용한 머신러닝(기계학습)이나, 사람의 뇌처럼 인공 신경망을 연결해 스스로 추론해 학습하는 딥 러닝(심층학습)을 구현하기 위해서는 이를 위한 소프트웨어와 하드웨어가 구비돼야 한다.

최근 반도체 시장에서는 AI를 위한 빠른 연산과 정확한 추론을 위한 하드웨어 설계·생산 기슬이 다양하게 쏟아져 나오고 있다. 전 세계 매출 1위의 프로세서 생산 회사인 인텔은 물론, 그래픽카드로 유명한 엔비디아, FPGA를 생산하는 자일링스 등 다양한 글로벌 시스템 반도체 업체들은 AI 전용 프로세서를 공개하며, 차세대 먹거리 선점을 위한 치열한 경쟁을 펼치고 있다.

국내에는 삼성전자와 네패스가 대표적인 AI 프로세서 생산 업체다. 삼성전자는 NPU(Neural Processing Unit, 신경망 프로세서)를 탑재한 ‘엑시노스’ 시리즈를 개발했으며, 네패스는 지난해 미국의 퀵로직이 발표한 인공지능 플랫폼 'QuickAI'에 자사의 AI 칩을 공급했다.

또한, 한국 정부도 AI 기술 선점의 중요성을 인지해 약 5000억 원의 투자를 준비하고 있다. 과학기술정통부는 지난 8일 통과한 ‘차세대 지능형 반도체 기술 개발 사업’ 예비타당성 조사에 따라, 2020년부터 10년간 4880억 원을 투자한다. 이중 원천기술(설계)에 2475억 원, 소자 부문에 2405억 원을 투자한다.

인텔, ‘2세대 제온 스케일러블 프로세서’와 뉴로모픽 칩 ‘로이히’

인텔은 전 세계 1위의 프로세서 기업으로, AI용 프로세서 개발을 위해 누구보다도 적극적으로 움직이고 있다. 최근 인텔이 발표한 2세대 제온 스케일러블 프로세서는 성능, AI 추론, 네트워크, 메모리 대역폭, 보안 등을 업그레이드한 플랫폼을 제공한다. 인텔 딥러닝 부스트 기술을 내장해, 데이터센터, 엔터프라이즈와 인텔리전트 엣지 컴퓨팅 환경에서 이미지 인식, 사물 감지, 영상 분할 등 AI 추론 워크로드 가속화에 최적화된 제품이다.

인텔은 AI 기술 개발을 위해 ▲2015년 FPGA 기업 알테라 ▲2015년 인지 컴퓨팅 플랫폼 스타트업 샤프론 ▲2016년 너바나 시스템 인수 ▲2017년 모빌아이 등을 인수했다. 또한, 인텔은 2017년 14nm 공정 기술의 뉴로모픽 칩 로이히(Loihi)를 개발하며, AI 개발에 집중하고있다.

인텔은 지난해 로이히 시스템이 올해까지 1000억 개의 시냅스를 탑재할 것이며, 생쥐 수준의 두뇌 수준을 구현하겠다고 밝혔다. 로이히는 순차적 파이프라인을 사용하는 코어 칩과는 다른 구조를 지녔다. 인간 두뇌의 신경망 역할을 모방한 로이히는 약 13만 개의 뉴런과 1억 3000만 개의 시냅스를 탑재했다.

엔비디아, AI 전용 컴퓨터 ‘젯슨 자비에’

엔비디아는 자사의 GPU 기술을 활용해, 인공지능 솔루션을 활발하게 개발하고 있다. 지난해 엔비디아는 AI, 로봇 전용 컴퓨팅으로 설계된 AI 컴퓨터 엔비디아 젯슨 자비에를 공개했다. 업체는 이를 통해 차세대 오토노머스 머신 개발을 가속화 할 예정이라고 밝혔다.

젯슨 자비에는 90억 개 이상의 트랜지스터와 함께 백열전구의 1/3 전력 효율성을 보여주고, 30TOPS 이상의 처리 능력을 제공한다. 젯슨 자비에는 볼타 텐서코어 GPU, 8코어 ARM 64 CPU, 듀얼 엔비디아 딥러닝 가속기, 이미지 프로세서, 비전 프로세서 등 6가지 종류의 고성능 프로세서가 탑재됐다. 수십 개의 알고리즘을 실시간으로 동시에 처리해 센서 프로세싱, 위치 측정과 매핑, 비전과 인식, 경로 계획 등을 수행할 수 있다.

젠슨 황 엔비디아 CEO는 “현재 AI는 가장 강력한 기술의 방향”이라며, “그 첫 번째 단계로 많은 산업에서 생산성을 향상시키는 새로운 수준의 소프트웨어 자동화가 이뤄지고, 다음으로 센서, 액추에이터와 결합해 차세대 자동화 기기의 두뇌가 된다. 언젠가는 제조, 배송, 물류 등에 수십억대의 인텔리전트 머신들이 등장할 것”이라고 말했다.

자일링스, 유연한 확장성을 지닌 지능형 플랫폼 ‘Versal ACAP’

지난해 자일링스 CEO는 개발자가 애플리케이션에 빠른 혁신을 가져올 수 있도록 지원하는 적응형 컴퓨팅 가속화 플랫폼(Adaptive Compute Acceleration Platform, ACAP) ‘Versal’을 공개했다. 자일링스는 유연한 확장성을 지닌 Versal ACAP를 통해 지능형, 커넥티드, 적응형 컴퓨팅 세계가 보다 빠르게 현실화될 것이라고 설명했다.

TSMC의 7nm 핀펫(FinFET) 공정 기술을 기반으로 구축됐으며, Versal 포트폴리오는 소프트웨어 프로그래머빌리티와 도메인별 하드웨어 가속을 결합한 플랫폼이다. 포트폴리오는 클라우드에서 네트워킹, 무선 통신, 에지 컴퓨팅, 엔드 포인트에 이르는 다양한 시장의 각종 애플리케이션에 확장성과 AI 추론 기능을 제공하도록 독창적으로 설계된 6가지의 디바이스 시리즈가 포함된다.

자일링스 CEO 빅터 펭은 "AI와 빅데이터의 폭발과 무어의 법칙 쇠퇴로 업계는 중요한 변곡점에 도달했다. 실리콘의 설계 주기는 더 이상 혁신의 속도를 따라갈 수 없다"며, “4년에 걸친 개발 기간 끝에 발표된 Versal은 업계 최초의 ACAP이다. 자일링스는 모든 유형의 개발자들이 최적화된 하드웨어와 소프트웨어를 사용해 애플리케이션 전체를 가속화하고, 빠르게 진화하는 기술에 발맞춰 이들 모두를 즉시 적응시키도록 독보적인 설계를 구현했다. 업계가 필요로 하는 바로 그 순간에 안성맞춤인 플랫폼"이라고 말했다.

삼성전자, AI용 AP ‘엑시노스9’…몬트리올 AI랩 확장

지난해 삼성전자는 CPU 성능과 통신 속도를 기반으로 AI 연산 속도를 약 7배 향상시킨 모바일 AP '엑시노스 9(9820)'을 공개했다. 엑시노스9(9820)은 삼성전자가 자체 개발한 4세대 CPU 코어를 적용했으며, 영상·음성 인식 등에 활용되는 NPU를 탑재해 인공지능 연산을 강화했다. NPU를 내장한 이 AP는 기존에 클라우드(Cloud) 서버와 데이터를 주고받으며 수행하던 AI 연산 작업을 모바일 기기 자체적으로 수행할 수 있도록 구현했다.

또한, 삼성전자는 최근 캐나다 몬트리올에 위치한 밀라 연구소 건물로 '종합기술원 몬트리올 AI 랩'을 확장·이전하며 미래 인공지능 분야의 근원적 혁신기술 연구를 강화하기로 했다. 밀라 연구소는 딥러닝 분야의 세계 3대 석학 중 한 명인 요슈아 벤지오 교수를 주축으로 몬트리올대, 맥길대 연구진, 글로벌 기업의 AI 개발자가 협력하는 세계적 딥러닝 전문 연구기관이다. 삼성전자는 이번에 한국 기업으로는 최초로 밀라 연구소 건물에 입주했다.

삼성전자는 이번 확장이전과 함께 밀라 연구소 소속 사이몬 라코스테 줄리앙 몬트리올대 교수를 영입해 몬트리올 AI 랩장에 선임했다. 삼성전자는 '몬트리올 AI 랩'에서 비지도 학습(Unsupervised Learning) 및 생성적 적대신경망(GANs, Generative Adversarial Networks)을 기반으로 새로운 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘과 온디바이스 AI(On-Device AI) 등 혁신기술 연구에 집중할 계획을 밝혔다.

네패스, 엣지컴퓨터용 뉴로모픽 칩 생산

국내의 첨단 반도체 패키징 전문 회사인 네패스는 2017년 7월 인공지능 반도체인 뉴로모픽 칩 ‘NM500’을 첫 공개했다. 네패스는 미국의 뉴로모픽 칩 설계 기술을 보유한 제너럴비전과 2016년 계약을 체결하게 됐다. 제너럴비전은 뉴로모픽 칩을 설계하고, 네패스는 이 칩에 대한 생산, 패키지와 판매에 대한 글로벌 독점권을 갖는다.

그 결과 양사는 제품을 2017년 7월 공개됐고, 신뢰성 테스트를 완료했으며, 12월 정식으로 반도체 인증을 받아 2018년 1월 양산을 시작했다.

네패스의 뉴로모픽 칩 NM500은 인간의 뇌신경 기능을 모방한 뉴로멤 아키텍처 기반으로 설계됐다. 네패스는 반도체 칩에 576개의 인공 뉴런을 집적해 사람의 뇌와 같은 고속·병렬연산 처리를 할 수 있고, 데이터 양에 상관없이 일정한 연산처리를 할 수 있다고 설명했다. 또한, 원하는 수만큼의 뉴런을 확장할 수 있고, 애플리케이션을 개발하거나 적용 시 기업에서 원하는 MCU나 프로세서와 접목해 사용할 수 있다.

네패스의 뉴로모픽 칩은 엣지 컴퓨팅 영역에 적합하다. 기계가 각자의 상황에 맞게 판단하고, 그에 따라 조치를 취하게 하기 위해 각 기계에 AI를 탑재한다는 것이다. 스마트팩토리, 자동화 공장에서 사용하는 기계의 엣지 컴퓨팅에 뉴로모픽 칩을 탑재하면 슈퍼컴퓨터 없이 대용량 서버가 상황에 맞게 판단을 내릴 수 있다는 장점이 있다.