[수소신문] 데이터를 메모리와 프로세서 사이에서 반복적으로 이동시키지 않고 메모리 내부에서 직접 연산하는 '로직인메모리(Logic-in-Memory·LiM)' 반도체의 성능을 높일 수 있는 자동 설계 기술이 개발됐다.
AI와 빅데이터 처리에 필요한 차세대 저전력·고성능 반도체 구현에 활용될 것으로 기대된다.
박희천 UNIST 전기전자공학과 교수 연구팀은 멤리스터(Memristor) 기반 로직인메모리 반도체의 회로 배치와 데이터 이동 경로를 자동으로 최적화하는 설계 기술을 개발했다.
기존 컴퓨터 구조는 데이터 저장을 담당하는 메모리와 연산을 수행하는 프로세서가 분리돼 있어 데이터 이동 과정에서 시간과 전력이 소모되는 '메모리 벽(Memory Wall)' 문제가 발생한다.
로직인메모리는 메모리 자체에서 데이터 저장과 논리 연산을 동시에 수행해 이러한 한계를 극복하는 차세대 반도체 기술로 주목받고 있다.
이번 연구의 핵심은 멤리스터가 격자 형태로 배열된 구조에서 연산을 수행할 계산 블록의 배치와 결과 데이터를 전달하는 경로를 자동으로 탐색·최적화하는 알고리즘이다.
멤리스터는 저항 상태 변화로 데이터를 저장하는 비휘발성 소자로, 차세대 인메모리 컴퓨팅의 핵심 소자로 평가된다.
연구팀은 기존 기술과 달리 가로뿐 아니라 세로 방향까지 활용하는 양방향 병렬 연산 방식을 적용했다.
이를 통해 동시에 처리할 수 있는 연산량을 늘려 순차 연산을 줄였고 제한된 메모리 공간도 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 했다.
또 연산이 끝난 데이터를 자동으로 삭제하고 중간 결과를 한쪽으로 재배치하는 규칙을 적용해 사용 가능한 공간을 확보했으며 수학적 경로 탐색 기법을 이용해 가장 효율적인 데이터 이동 경로를 자동으로 찾아내도록 설계했다.
성능 검증 결과 새 설계 기술을 적용한 로직인메모리 회로는 기존 최고 수준 기술보다 전체 동작 사이클 수를 평균 19.6% 줄였다.
동일한 연산을 수행하는 데 필요한 반도체 동작 횟수가 감소해 처리 속도와 에너지 효율을 동시에 높일 수 있음을 입증했다.
또한 메모리 공간이 제한된 환경에서도 기존 기술이 배치하지 못했던 회로까지 모두 구현하는 데 성공했다.
박희천 UNIST 교수 연구팀은 "회로를 메모리에 단순히 배치하는 것이 아니라 병렬 연산이 가능하도록 최적의 구조로 배열하는 것이 인메모리 컴퓨팅 성능을 결정한다"라며 "이번 기술은 좁은 면적에서도 안정적으로 동작하는 자동 설계 기술이라는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.
이번 연구는 김익겸 연구원이 제1저자, 김민홍 연구원이 제2저자로 참여했으며 박희천 교수가 교신저자를 맡았다.
연구 성과는 반도체 설계자동화 분야 국제학술지 IEEE TCAD(IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems)에 6월 2일 온라인(Early Access) 게재됐다.
연구는 한국연구재단(NRF)과 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐으며 반도체설계교육센터(IDEC)가 칩 설계 도구를 지원했다.