AI 반도체에 대해서 알아보자

AI 반도체란 무엇인가?

• 시스템 반도체의 일종인 AI 반도체는 인공지능, IOT, 자율자동차 등 4차 산업혁명 실현을 위한 핵심부품
• AI 반도체는 "학습, 추론 등 인공지능 서비스 구현에 필요한 대규모 연산을 높은 성능, 높은 전력 효율로 실행하는 반도체"로 인공지능(AI)의 핵심두뇌
• 데이터센터 서버 또는 엣지 디바이스(예를 들어 스마트폰)에서 사용되며, 기술 유형에 따라 GPU, FPGA, ASIC, 뉴로모픽 등의 반도체가 있음

 

GPU : 게임 산업의 3D 그래픽 등을 처리하기 위해 개발되었으나 대규모 데이터의 연산을 효율적으로 처리하는 병렬처리 기반 반도체로 각광을 받으면서 인공지능 구현을 위한 핵심 반도체로 부상

FPGA : 활용 목적에 따라 재프로그래밍이 가능한 반도체로서 개발에 투입되는 시간이 짧고 원하는 작업에 맞춰 연산 처리가 가능해 유연성이 높은 반도체

ASIC : 애플리케이션의 특성에 적합한 인공지능 시스템을 구현하기 위해 범용 프로세서를 사용하는 대신 특정 모적으로 제작되는 주문형 반도체 기술(예시 : 스마트폰에 들어가는 AP)

뉴로모픽 : '폰 노이만(Von Neumann)' 구조의 기존 반도체 한계를 극복하기 위해 인간처럼 저 전력으로도 고성능의 인공지능을 수행하는 반도체 기술

 

CPU가 아니라 모바일 AP라고 불리는 이유

폰노이만 구조

 

출현 배경

빅데이터 분석, AI 서비스 등 인공지능 산업이 확대되면서 학습, 추론의 인공신경망 알고리즘에 최적화된 AI 전용 반도체의 필요성이 증대되었다.

 

• 연산성능 - CPU 활용한 초기 AI 컴퓨터는 GPU의 채용을 통해 연산 성능이 개선되었으나, 대규모 대용량 연산 처리가 증대함에 따라 AI 반도체의 필요성이 대두
• 전력효율 - AI 반도체는 낮은 전력으로 대량의 데이터를 동시에 처리하여, 기존 반도체 대비 약 1,000배의 인공지능 연산 전력 효율 구현

 

AI 반도체 시장 상황

AI 반도체 시장은 시스템 반도체 시장에서 새로운 시장을 창출하면서, 데이터 센터용과 엣지 디바이스용으로 시장이 세분화되어 경쟁 중에 있음

 

"엔비디아의 속도는 이미 AMD와 인텔이 대적하기 어려운 수준"

"내년에도 엔비디아는 AI 관련 시장에서 85% 이상의 점유율을 유지할 것"

 

 

데이터 센터용 : CPU + GPU를 기반으로 한 엔비디아 및 인텔이 시장을 주도하고 있으며, 특히 4대 클라우드*에 사용되는 AI 가속기의 97%를 엔비디아가 점유하고 있음

*4대 클라우드 : 아마존 웹 서비스(AWS), 마이크로소프트, 구글, IBM

 

데이터 센터용 AI 반도체는 엔비디아가 독식하고 있는 상황

 

엣지 디바이스용 : 현재 대표적으로 적용되고 있는 분야는 스마트폰과 자율주행 차량용 AI 반도체로서, 구글, 퀠컴, 테슬라 등이 주도하고 있음

 

엣지 디바이스용 AI 반도체는 여러 업체들이 경쟁하고 있는 상황

 

엔비디아 AI 반도체가 시장에서 압도적인 위치를 확보했지만 가격과 공급 측면에서 고객들에게 만족을 주지는 못하고 있는 상황, 기업들은 대체제를 찾고 있는 상황이다.

 

 

그동안 인텔과 동반관계를 맺어 온 마이크로소프트조차도 CPU는 물론 GPU까지 직접 개발하는 등 글로벌 클라우드 업체들의 자체적인 AI 반도체 개발이 활발히 진행 중

 

글로벌 AI 기업들이 설계한 AI 반도체들은 대부분 대만의 TSMC가 위탁생산하고 있으며, 우리나라의 삼성은 FSD를 위탁생산하면서 점차 시장을 확대하는 중

 

>> 해당 경쟁구도에서 누가 이기든 이득 보는 건 결국 TSMC?

 

업체별 AI 반도체 정리

GPU는 엔비디아, FPGA는 AMD, ASIC은 구글, 뉴로모픽에서는 IBM과 인텔이 강점을 갖고 있다.

 

반도체 업체, 클라우드 업체, 그리고 디바이스 업체 등이 각자의 장점을 살려 GPU, FPGA, ASIC, 뉴로모픽 등의 AI 반도체를 개발하여 출시하고 있다.

 

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국내 동향

우리나라의 AI 반도체 관련 기술 개발은 단기적 상용화보다는 장기적인 안목으로 뉴로모픽과 같은 차세대 기술 개발에 초점을 두고 있다.

 

• 우리나라에서 AI 반도체를 개발 중인 기업 및 기관은 10곳 미만으로 미국, 중국과 비교할 때 산업 저변이 매우 열악한 상황
• 대부분 엣지 디바이스용 반도체를 개발하고 있으며, ASIC 개발 비중이 높은 미국, 중국과 달리 뉴로모픽 반도체 개발에 집중하고 있음

삼성전자는 애플과 화웨이에 비해 인공지능 AP의 상용화가 늦었지만, 스마트폰 일체형 AI 반도체 상용화에 이어 뉴로모픽 AI 반도체 선행 연구 추진

 

- 갤럭시 S10에 엑시노스 9820 프로세서를 개발한 이후, 최근에는 갤럭시 S21에 엑시노스 2100을 개발하여 탑재

 

나의 접근 방법

데이터 센터용 AI 반도체 칩은 엔비디아가 독식하고 있는 상황이지만 AI 반도체 시장이 꾸준히 성장할 거라고 예상되기 때문에 언제든지 해당 구도는 바뀔 수 있다고 생각한다. 그래서 2위 혹은 3위에 투자해서 기회를 노리는 게 충분히 가능하다고 판단된다.

 

엣지 디바이스용 AI 반도체 칩은 아직 확실한 1강의 구축되지 않은 상황이기 때문에 기회가 더 많다는 생각이 든다.