[아시아경제 김흥순 기자] 삼성전자(종목홈) 연구진이 인간의 두뇌처럼 기억과 연산을 하나의 칩 안에서 수행할 수 있는 반도체 기술을 세계 최초로 구현하고 이 연구결과를 13일(한국시간) 국제학술지 ‘네이처’에 게재했다. 대용량의 데이터를 처리하는 차세대 인공지능(AI) 반도체뿐 아니라 인간의 뇌를 모방하는 '뉴로모픽 기술'을 개발하는데 속도가 붙을 전망이다.

이번 연구는 정승철 삼성전자 종합기술원 전문연구원이 제1저자로, 함돈희 종합기술원 펠로우 및 하버드대 교수와 김상준 종합기술원 마스터가 공동 교신저자로 참여했다. 삼성전자 종합기술원, 반도체연구소, 파운드리사업부 연구원들도 공동으로 연구에 참여했다.

삼성전자 연구진이 구현한 메모리 기술은 자기저항메모리(MRAM) 소자를 기반으로 하는 '인-메모리 컴퓨팅'이다. 이는 하나의 메모리에서 데이터의 저장과 연산까지 수행하는 최첨단 칩 기술이다.

통상 컴퓨터에서는 데이터의 저장을 담당하는 메모리 칩과 연산을 책임지는 프로세서 칩을 따로 구성한다. 중앙처리장치(CPU)가 메모리로부터 명령어를 불러와 실행하고, 그 결과를 다시 기억장치에 저장하는 작업을 순차적으로 진행하는 것이다. 이 과정에서 CPU와 메모리간 주고받는 데이터가 많아지면 작업 처리가 지연되는 현상이 발생한다.

반면 인-메모리 컴퓨팅 기술을 적용하면 대용량의 정보를 이동 과정 없이 메모리 안에서 병렬 연산해 전력 소모가 현저히 낮다. 이에 따라 차세대 저전력 AI 칩을 만들 수 있는 기술로 주목받고 있다.

인-메모리 컴퓨팅에 활용할 수 있는 비휘발성 메모리 소자로는 저항메모리(RRAM)와 상변화메모리(PRAM), MRAM 등이 있다. 앞서 RRAM과 PRAM으로는 인-메모리 컴퓨팅 기술을 구현한 사례가 있었다. MRAM으로 이를 구현해 낸 것은 삼성전자 연구진이 처음이다.

MRAM은 데이터 안정성이 높고 속도가 빨라 시스템 반도체 공정과 접목할 경우 대량 생산이 가능한 비휘발성 메모리다. 반면 저항값이 낮은 특성 때문에 인-메모리 컴퓨팅에 적용해도 전력 이점이 크지 않다는 한계가 있었다. 삼성전자 연구진은 기존 '전류 합산' 방식이 아닌 새로운 개념의 '저항 합산' 방식 인-메모리 컴퓨팅 구조를 제안함으로써 저전력 설계에 성공했다.

삼성전자는 "시스템 반도체 공정과 접목해 대량 생산이 가능한 비휘발성 메모리인 MRAM을 세계 최초로 인-메모리 컴퓨팅으로 구현하고, 차세대 저전력 AI 칩 기술의 지평을 확장했다는 점이 이번 연구의 큰 성과"라고 평가했다.

학습·추론 등 대규모 연산을 고성능·저전력으로 실행하는 AI반도체는 서버와 클라우드를 넘어 모바일, 자동차, 가전 등 전 산업에서 수요가 확대되고 있다. 시장조사업체 가트너는 AI반도체 시장이 2020년 331억4800만달러(약 39조원)에서 2025년 767억7000만달러(약 91조원) 규모로 성장할 것이라고 내다봤다. 업계에서는 뇌 신경망을 모방해 인지·추론 등 사람의 뇌와 유사하게 동작하는 뉴로모픽 반도체 기술을 궁극적인 목표로 한다.

정 전문연구원은 "인-메모리 컴퓨팅은 기억과 계산이 혼재된 사람의 뇌와 유사한 점이 있다"며 "이번 연구가 향후 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술의 연구·개발에도 도움이 될 것"이라고 기대했다.