삼성전자가 세계 최초로 개발한 PIM(프로세싱인메모리) 반도체 'HBM-PIM'. /삼성전자

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글로벌 경기 침체 여파로 ‘반도체 한파’가 우려되는 가운데, 최근 업계에서 인공지능(AI) 챗봇 ‘챗GPT’의 열품으로 향후 AI 반도체의 수요가 폭증할 것이라는 전망이 나왔다. 챗GPT는 대규모 데이터 학습과 빠른 연산이 가능해, 기존 반도체가 아닌 AI에 특화된 전용 반도체가 필요하다.

이에 삼성전자와 SK하이닉스는 AI에 특화된 고성능·고용량 메모리 개발에 속도를 내고 있다. 정부도 AI 반도체 기술 개발 국가사업과 인력 양성, 초기 수요 확대를 위한 클라우드 접목 대책 등을 발표하며 기술개발을 지원하고 있다.

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◇ 삼성·하이닉스, AI로 반도체 혹한기 탈출

5일 시장조사업체 가트너에 따르면 2020년 220억달러(한화 약 27조원) 규모였던 AI 반도체 시장 규모는 올해 553억달러(약 69조원) 규모로 2.5배 이상 커질 것으로 전망된다. 오는 2026년에는 861억달러(약 107조원)까지 성장할 전망이다.

실제 지난해 12월 1일 나온 챗GPT는 출시 5일 만에 사용자가 100만명을 넘었는데 이는 페이스북(10개월)이나 트위터(2년)보다 월등히 앞선 기록이다. 25일(현지 시각) 챗GPT 글로벌 이용자는 1000만명을 돌파했다. 여기에 챗GPT를 중심으로 AI 기술은 음성인식, 자율주행, 메타버스 등으로 영역을 확장하고 있다.

또 최근 네이버도 챗GPT 출시를 공식화 했다. 최수연 네이버 대표는 지난 3일 실적발표 컨퍼런스콜에서 “생성형 인공지능(AI)과 같은 새로운 검색 트렌드에 대한 대응책을 준비하고 있다”며. “올 상반기 내로 네이버만의 향상된 검색 경험인 ‘서치 GPT’를 선보이는 것이 목표”라고 밝혔다.

오픈AI가 개발한 인공지능(AI) 챗봇, 챗GPT. /오픈AI

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챗GPT의 열풍에 삼성전자와 SK하이닉스 등 국내 반도체 업계가 들썩이고 있다. 현재 AI 분야에서 주로 사용되는 반도체는 데이터를 한 번에 대량으로 처리하는 ‘병렬 처리’ 방식의 그래픽처리장치(GPU)다. GPU 시장에서 80% 이상의 점유율을 차지하는 것은 엔비디아다. GPU에는 고대역폭 메모리(HBM)를 비롯한 D램이 대거 탑재된다.

하지만 GPU는 중앙처리장치(CPU) 간의 성능 차이로 인해 병목 현상이 발생할 수 있다. 아무리 GPU가 빨리 계산을 끝마쳐도 CPU의 연산을 마무리해야 출력이 가능하기에 전체적인 성능 제한이 올 수 있다는 의미다.

이에 데이터 저장을 주 역할로 하던 메모리 반도체에 연산장치를 심는 AI 반도체에 대한 필요성이 제기되고 있다. AI 반도체는 메모리 내부에서 직접 AI 연산이 가능해 속도가 빨라지고 에너지 소모가 적다는 장점을 가지고 있다.

네이버의 초거대 AI '하이퍼클로바' 소개 이미지. /네이버 제공

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삼성전자와 SK하이닉스 모두 AI 반도체 개발에 속도를 내고 있다. 삼성전자는 네이버와 함께 AI 반도체를 개발하고 있다. 삼성전자가 AI 반도체 하드웨어를 개발하고 네이버가 AI 반도체 전용 솔루션 개발하는 식이다.

김재준 삼성전자 메모리사업부 부사장은 지난달 31일 작년 4분기 실적 콘퍼런스콜에서 “자연어 기반 대화형 AI 서비스가 미래 메모리 수요에 긍정적인 영향이 있을 것으로 기대한다”며 “AI 기술에 기반한 모델의 학습과 추론을 위해서는 대량 연산이 가능한 고성능 프로세스와 이를 지원하는 고성능 고용량 메모리 조합이 필수적”이라고 말했다.

SK하이닉스도 AI 반도체 개발에 사활을 걸고 있다. 박명수 SK하이닉스 D램 마케팅 담당은 지난 1일 콘퍼런스콜에서 챗GPT에 대해 “언어 모델의 확장성, 대중을 활용한 AI의 일반화와 상용화라는 점에서 파급성이 크다”며 “향후 웹 3.0으로 발전하면 기술적 진화에 따른 메모리뿐만이 아니라 업계 전반의 활용 확장 가능성은 매우 크다”고 분석했다.

◇ AI 반도체 수요 높이고 클라우드 성능 확대

정부도 AI 반도체 개발 지원에 착수했다. 과학기술정보통신부는 AI 반도체의 초기 수요 확대를 위해, 클라우드 산업에 AI 반도체를 도입하는 ‘국산 AI 반도체를 활용한 K-클라우드 추진방안’을 발표했다.

정부는 기존 AI 반도체 사업을 종합해, 오는 2030년까지 AI 반도체 연구개발(R&D)에 총 8262억원을 투자하기로 했다. 또 과기정통부는 차세대 지능형 반도체 기술 개발 및 핌(PIM) 인공지능 반도체 핵심 기술 개발 사업을 추진 중이다.

과기정통부의 '국산 AI 반도체를 활용한 K-클라우드 추진방안' 개념도 /과기정통부 제공

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우선 정부는 올해 국산 신경망처리장치(NPU)를 고도화해 데이터센터에 적용하기로 했다. 반도체는 데이터센터의 성능 강화를 위한 핵심 요소인데, 실제로 아마존(AWS) 등 글로벌 클라우드 기업은 자사 전용 AI 반도체를 적극 개발·적용함으로써 비용 절감에 나서고 있다.

현재 정부는 NPU 팜 구축을 위해 428억원 규모의 사업자 공모를 추진하고 있다. 정부는 이 사업에 오는 2025년까지 총 1000억원을 투자한다는 계획이다.

이후 오는 2026년부터 2028년까지는 디램(DRAM) 기반의 상용 PIM과 국산 NPU를 접합해 외산 그래픽처리장치(GPU)급 성능을 저전력으로 구현하기로 했다. 특히 아직 국산 AI 반도체가 상용화되지 않은 상황에서 과기정통부는 국내 데이터센터 시장의 국산 AI 반도체 점유율을 80%까지 확대하겠다는 목표다.

정부는 민관 협력을 위해 ‘K-클라우드 얼라이언스’도 구성했다. 지난 9월에 출범한 ‘AI 반도체 스케일업 네트워크’를 확대 개편해 사피온·퓨리오사AI·리벨리온 등의 AI 반도체 기업은 물론 NHN·KT·네이버 등 클라우드 기업과 정부·연구기관 등 40여개 기관이 참여하고 있다.

박성우 기자(foxpsw@chosunbiz.com)

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