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기술정보

초저전력 반도체 설계 – AI칩의 효율을 결정하는 마이크로아키텍처 혁신

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초저전력반도체를 표현한 그림

성능보다 ‘전력’이 승부를 가르는 시대

 

‘빠른 칩’보다 ‘똑똑한 칩’이 필요한 이유

AI, 자율주행, 스마트폰, 로봇, 데이터센터…

모든 산업의 중심에는 반도체가 있습니다.

하지만 기술 발전의 속도만큼 전력 소비의 증가도 심각한 문제로 떠올랐습니다.

 

예를 들어 GPT-5 수준의 AI 모델을 학습시키려면

하루 수백 메가와트의 전력이 필요하며,

이는 작은 도시 하나가 하루 동안 소비하는 에너지량과 맞먹습니다.

 

“성능(Power)”만을 추구하던 시대는 끝났습니다.

이제는 전력당 연산 효율(Performance per Watt)

반도체 경쟁의 절대 기준이 되었습니다.

 


 

1. 전력 소모가 반도체 성능을 결정하는 시대

왜 전력이 문제인가

  • 트랜지스터가 미세화될수록 누설전류(Leakage Current)가 증가
  • AI 연산은 곱셈·덧셈 반복 → 소비전력 급증
  • 모바일·엣지기기 등 배터리 구동 환경에서는 발열과 수명 문제 심화

예를 들어,

7nm 공정에서 1억 개의 트랜지스터가 소비하는 전력은 약 60W,

3nm 공정에서 3배로 늘어나면 100W 이상이 됩니다.

그래서 ‘성능을 높이되 전력은 유지’하는 것이 새로운 설계 철학입니다.

 


 

2. 초저전력 설계의 핵심 개념

설계 레벨 주요 접근법 설명
공정(Process) FinFET → GAA 누설전류 최소화, 게이트 제어 개선
회로(Circuit) 전압 스케일링, 파워게이팅 필요 영역만 전원 공급
아키텍처(Architecture) 병렬화, 연산 분할 데이터 이동 최소화
시스템(System) 전력 관리, 클럭 조절 동적 주파수 제어, 전력 예측

 

이 중에서도 최근 가장 주목받는 영역이 바로 마이크로아키텍처(Micro-Architecture) 수준의 혁신입니다.

 


 

3. AI 칩의 마이크로아키텍처 – ‘데이터 이동’이 전력의 70%를 먹는다

AI 연산의 전력 소모를 분석하면 놀라운 결과가 나옵니다.

  • 실제 ‘연산’ 자체는 전체 소비전력의 약 30%
  • 나머지 70% 이상은 데이터 이동(Data Movement) 과정에서 사용

즉,

칩 안에서 데이터가 어디서 어디로, 얼마나 자주, 어떻게 이동하는가

전력 효율을 좌우합니다.

 

이를 해결하기 위한 주요 혁신이 바로 메모리 근접 연산(Processing in Memory, PIM)

데이터플로우(Dataflow) 최적화 구조입니다.

 


 

4. 초저전력 AI 칩의 주요 설계 패러다임

(1) PIM (Processing In Memory)

  • 연산을 메모리 내부나 근처에서 수행하여 데이터 이동 최소화
  • DRAM 내부 연산을 통해 AI 추론 전력 5~10배 절감
  • 삼성전자 ‘HBM-PIM’, SK하이닉스 ‘AiM’, Micron ‘Compute Express Link PIM’이 대표 사례

(2) Systolic Array 구조

  • TPU 등에서 사용되는 ‘파이프라인 병렬 연산 구조’
  • 데이터 이동 없이 순차적으로 연산 수행
  • AI 행렬 연산(MAC)에 최적화

(3) NPU (Neural Processing Unit)

  • 신경망 연산 전용 프로세서로, 불필요한 제어 로직 제거
  • GPU 대비 전력 효율 5~20배
  • 스마트폰(예: 삼성 Exynos, 애플 A17 Pro)에 내장

(4) DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling)

  • 부하에 따라 전압과 클럭을 동적으로 조정
  • 예: AI 학습 중 부하 100%일 때만 클럭 상승

(5) Clock Gating & Power Gating

  • 사용하지 않는 회로의 전원을 차단하여 누설전류 방지
  • 대형 SoC(System on Chip)에서는 1000개 이상 세분화

 


 

5. 반도체 공정과 초저전력의 관계

(1) 3nm GAA (Gate-All-Around) 기술

  • 기존 FinFET 대비 누설전류 45% 감소
  • 삼성전자, TSMC, Intel 모두 GAA 기반 AI 칩 양산 중

(2) 신소재 트렌드

  • SiGe, Ge-on-Insulator, GaN-on-Si 등 고효율 트랜지스터
  • 저유전율(High-k) 절연막으로 정전용량 감소
  • Cu 대신 Co, Ru 금속배선으로 저저항화

 


 

6. AI 반도체에서의 전력 효율 경쟁

기업 대표 칩 전력 효율 개선 포인트
NVIDIA H100 / B200 HBM3e 기반, NVLink 고효율 통신
AMD MI300X 칩렛 구조, 전력 관리 강화
Google TPU v5 Systolic Array + Liquid Cooling
삼성전자 Exynos NPU 하이브리드 AI 연산 + 전력 스케줄링
Intel Gaudi 3 AI 가속기 내 전력예측 알고리즘 탑재

 

AI 연산 효율의 핵심은 “TOPS/Watt” (초당 연산량 대비 소비전력)입니다.

최근 칩들은 1W당 100~150 TOPS를 목표로 개발되고 있습니다.

 


 

7. 회로 수준의 저전력 설계 기술

  1. 전압 스케일링(Voltage Scaling)
    • 공급전압을 낮추면 소비전력은 전압의 제곱에 비례해 감소
    • 예: 1.0V → 0.8V로 낮출 경우 약 36% 절감
  2. Subthreshold Operation
    • 트랜지스터가 완전히 켜지지 않은 상태에서 동작
    • 초저전력 IoT 센서에 주로 사용
  3. Body Biasing
    • 트랜지스터 바디 전압 조절로 누설전류 감소
  4. Adaptive Power Management
    • AI가 칩 내부의 온도·부하를 예측해 전력 조절
    • 실시간 전력 제어 회로(PMIC)와 연계

 


 

8. 시스템 수준의 에너지 최적화

  • 온칩 메모리 구조 재배치: SRAM → eDRAM → PIM으로 계층화
  • 칩렛(Chiplet) 구조: 필요한 연산 유닛만 활성화
  • 냉각 통합 설계: 열 센서 기반 실시간 클럭 조절

또한 EDA(전자설계자동화) 기업들은

AI 기반 저전력 최적화 알고리즘을 도입하고 있습니다.

  • Synopsys: PrimePower AI 모델
  • Cadence: Voltus-XP
  • Siemens: PowerPro AI Suite

 


 

9. AI Edge Device에서의 초저전력 구현

스마트폰, 드론, IoT 디바이스에서는

‘AI 연산을 로컬에서 처리’하는 온디바이스 AI가 확산 중입니다.

이때 핵심은 배터리 기반에서도 AI 모델을 원활히 구동하는 초저전력 칩입니다.

대표 사례

  • Apple Neural Engine (A17 Pro): 16코어 NPU, 35% 저전력 개선
  • Qualcomm Hexagon DSP: 전용 AI 가속기 + 효율적 데이터플로우
  • Google Edge TPU: 2W 이하에서 4TOPS 처리
  • Samsung Exynos AI Engine: 로컬 음성·이미지 처리 전력 30% 절감

 


 

10. 미래 방향 – 성능보다 ‘전력당 효율’ 중심의 반도체 경쟁

  1. 신소재 트랜지스터
    • 2D 반도체(MoS₂, WS₂ 등)로 누설전류 90% 감소 가능
  2. 광컴퓨팅(Optical Computing)
    • 전자 대신 빛을 이용한 연산으로 발열 최소화
  3. AI 기반 전력 예측
    • 칩 내부에서 머신러닝으로 전력 스케줄 자동 조정
  4. PIM + NPU 통합 구조
    • 메모리·연산·제어를 단일 플랫폼으로 통합

2030년 이후 반도체 경쟁은 단순한 성능이 아니라

전력 효율·냉각 효율·데이터 이동 효율을 통합한

“Total Efficiency Architecture” 중심으로 재편될 것입니다.

 


 

“에너지 효율이 반도체의 생존력을 결정한다”

AI 시대의 반도체는 더 이상 ‘빠른 칩’이 아니라

‘효율적인 칩’이어야 합니다.

 

연산속도를 2배 높이는 것은 어렵지 않습니다.

그러나 같은 전력으로 2배의 연산을 하는 것은

설계 구조 자체를 다시 짜야 가능한 혁신입니다.

 

삼성전자, NVIDIA, 구글, 인텔 모두

공통적으로 추구하는 목표는 바로 “Performance per Watt” — 즉, 전력 효율이 반도체 산업의 경쟁력을 결정하는 것입니다.

 

AI 반도체가 인간의 뇌처럼 적응적이고 에너지 효율적인 연산을 수행하려면,

마이크로아키텍처의 혁신은 선택이 아니라 필수입니다.

이제 반도체의 진정한 경쟁은 “속도”가 아니라 “전력”에서 벌어지고 있습니다.

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