AI반도체는 대한민국을 G3으로 만드는 기술이다

AI 반도체는 고도화된 데이터 분석과 실시간 처리 속도가 요구되는 AI 모델을 효과적으로 구현할 수 있는 필수 인프라이자 전략적 자산이다. 이를 둘러싼 세계적 경쟁이 심화되는 가운데, 한국은 AI 반도체 분야에서 기술적 자립을 강화하고 경쟁 우위를 확보하기 위해 다양한 정책적 접근이 필요하다.

유회준 KAIST 전기전자공학부 교수·AI반도체공학회장

AI시대에서 반도체 기술의 중요성

AI의 발전은 ChatGPT(챗GPT)와 같은 고도화된 알고리즘을 통해 인류의 역량을 확장하며 현대 산업과 사회의 근본적인 변화를 이끌고 있다. 그러나 AI의 지속적인 발전과 확산을 위해서는 이를 뒷받침할 고성능 반도체가 필수적이다. 인간의 지능이 뇌라는 맞춤형 하드웨어를 통해 고성능을 발휘하듯, AI도 특화된 반도체 없이는 혁신적 발전에 한계가 있다. 따라서 AI 반도체 개발과 관련 인프라 강화는 국가적 우선순위로 다뤄져야 한다.

현존하는 GPU는 AI 작업을 수행할 수 있지만, 전력 효율성과 처리 속도 측면에서 한계를 지닌다. 기존 GPU는 주로 게임이나 그래픽 처리를 위해 설계된 반도체로, AI 알고리즘의 독특한 연산 패턴을 최적화하는 데 제약이 있다. 반면, 뉴럴 프로세싱 유닛(NPU)과 같은 AI 특화 반도체는 이러한 한계를 극복할 수 있는 혁신적 기술이다. AI 특화 반도체는 전력 소모를 줄이고 연산 효율성을 높여 AI 응용 프로그램의 확장성을 높인다.

AI는 이제 데이터 센터에서만이 아니라 온-디바이스AI에서 보듯이 우리 산업과 생활의 다양한 분야에서 활용되는 시대가 되었다. 이러한 AI-X(AI 변환) 시대에서 반도체 기술은 데이터와 알고리즘을 넘어서 AI 구현의 중심 축으로 자리잡고 있다. 정부는 AI 반도체에 대한 적극적인 투자를 통해 국가 경쟁력을 강화하고, 국내 기업의 글로벌 시장에서의 지위를 높이는 발판을 마련해야 한다.

세계 기업들의 AI 패권 다툼

AI 기술의 빠른 발전은 전 세계 주요 기업들 사이에 치열한 패권 경쟁을 일으켰다. 미국의 엔비디아(NVIDIA)는 AI 연산에 최적화된 GPU인 H100으로 시장을 선도하며 독보적인 위치에 있다. 기존 GPU의 한계를 뛰어넘는 H100은 AI 모델의 대규모 데이터 처리에 적합하도록 설계되어 폭발적 수요를 끌어냈다. 더불어 내년 중순 발표될 차세대 블랙웰 GPU는 AI 연산의 새로운 표준을 제시할 것으로 기대된다. 엔비디아는 삼성전자와 SK하이닉스가 공급하는 고대역폭 메모리(HBM)를 통해 GPU 성능을 강화하며 AI 메모리 시장에서의 주도권을 강화하고 있다.

그러나 AI 반도체 시장에서 엔비디아의 독점을 견제하려는 움직임도 활발하다. 인텔은 ‘가우디2’ AI 가속기를 출시하여 AI 연산에 특화된 반도체 시장에서 점유율을 확대하고 있으며, 오픈AI는 TSMC 및 브로드컴과 협력해 AI 연구에 최적화된 맞춤형 반도체 개발을 추진 중이다. 이러한 전략적 제휴는 반도체 자립성을 강화하고 시장 내 영향력을 확대하려는 의도를 반영한다. 특히, AI 기술의 발전에 따라 다양한 연산 요구가 생겨나면서 맞춤형 AI 칩 개발이 더욱 중요해지고 있다. 우리나라에서도 리벨리온이나 퓨리오사 그리고 하이퍼 엑셀과 같은 스타트업들이 이러한 상황에서 독자적인 칩을 개발하여 우리나라만의 생태계를 구축하려는 전략을 가속화하고 있다. 앞으로 AI 반도체 패권을 차지하기 위한 경쟁은 가속화될 것이다. AI 연산 특화 칩은 단순한 하드웨어 이상의 가치를 지니고 있으며, 글로벌 AI 기술 주권을 확보하려는 각국과 기업들의 주요 무기가 될 전망이다.

한국 AI 반도체 분야의 현재

AI 기술이 빠르게 발전하면서 더 많은 데이터를 실시간으로 처리하고 높은 성능을 유지할 수 있는 AI 반도체의 중요성이 점차 커지고 있다. 이에 따라 한국도 AI 반도체 기술 개발에 적극적으로 나서고 있으며, 특히 PIM(Processing in Memory)과 NPU(Neural Processing Unit) 기술을 중심으로 경쟁력을 강화하고 있다.

한국은 현재 전 세계 메모리 반도체 시장에서 60% 이상의 점유율을 차지하고 있어, 그간 쌓아온 높은 기술력을 기반으로 메모리 내에서 AI 연산을 수행하는 PIM 기술을 선도하고 있다. 또한, 리벨리온, 퓨리오사, 모빌린트와 같은 한국의 주요 스타트업들은NPU 개발에 박차를 가하고 있다. 특히, 리벨리온은 세계 최고 반도체 학회인 ISSCC 2024에서 엔비디아의 성능을 능가하는 NPU 관련 연구 성과를 발표하여 큰 주목을 받았다. 

이러한 기술적 성과를 바탕으로 한국은 PIM뿐만 아니라 NPU 분야에서도 AI 반도체 개발 역량을 강화하고 있으며, 전 세계 AI 반도체 시장에서 주도권을 잡을 가능성을 높이고 있다.

지난 4월 16일 오후 서울 중구 코리아나호텔에서 열린 ‘AI전략최고위협의회 AI반도체분과 회의’에서 강도현 과학기술정보통신부 제2차관이 발언하고 있다.(ⓒ뉴스1, 무단 전재-재배포 금지)

한국 반도체 인력 양성 사례

반도체 산업은 기술과 인력의 경쟁력이 절대적으로 중요한 분야이다. 특히 최근 반도체 기술이 급속도로 고도화되고, 글로벌 시장에서 치열한 경쟁이 벌어지면서 인재 부족 문제가 심각해지고 있다. 이에 대응하기 위해 KAIST는 2023년에 반도체 설계에 중점을 둔 교육 과정을 마련하여 한국 반도체 산업의 미래를 이끌어 갈 전문 인력을 체계적으로 양성하기 위한 인공지능반도체대학원을 설립했다.

인공지능반도체대학원은 AI 반도체에 특화된 커리큘럼을 통해 학생들에게 이론과 실습을 겸비한 교육을 제공하고 있으며, 또한 AI알고리즘, AI반도체 및 AI응용 3가지의 기술을 종합적으로 펼칠 수 있는 실무 역량과 연구 능력을 모두 갖춘 인재를 길러내고 있다. 또한, KAIST는 이 대학원의 교육 품질을 높이기 위해 반도체와 AI 분야의 최고 전문가들을 교원으로 확보하여, 학생들이 첨단 지식과 실무 경험을 쌓아 AI-X의 선도자들이 될 수 있도록 지도하고 있다.

그뿐만 아니라 인공지능반도체대학원은 국내외 유수 대학 및 연구기관과의 공동 연구, 산학 협력 프로젝트, 해외 인턴십 프로그램을 적극적으로 추진하고 있다. 이를 통해 학생들은 글로벌 인재들과 교류하며 다양한 경험을 쌓고, 국제적인 시각과 네트워크를 구축할 기회를 얻고 있다.

지난 3월 6일 세종시 정부세종청사 과학기술정보통신부에서 카이스트에 개소한 PIM 허브설계센터에서 개발에 성공한 뉴로모픽 컴퓨팅 반도체 핵심 기술인 상보형-트랜스포머 내용 등을 발표하고 있다.(ⓒ뉴스1, 무단 전재-재배포 금지)

AI 반도체 주권 확보 향한 정책적 전망 

AI 반도체는 차세대 기술 경쟁의 중심축으로, 대한민국이 과학기술 주권을 확보하는 데 필수적인 요소다. AI 반도체는 고도화된 데이터 분석과 실시간 처리 속도가 요구되는 AI 모델을 효과적으로 구현할 수 있는 필수 인프라이자 전략적 자산이다. 이를 둘러싼 세계적 경쟁이 심화되는 가운데, 한국은 AI 반도체 분야에서 기술적 자립을 강화하고 경쟁 우위를 확보하기 위해 다양한 정책적 접근이 필요하다.

첫째, 경쟁국들과의 차별화된 기술 선점을 위해 정부, 산업계, 학계 간의 협력을 강화해야 한다.

이를 위해 연구개발(R&D)에 대한 자금 지원을 늘리고, 정책적 인센티브를 통해 기업과 연구기관이 협력 연구에 적극 나설 수 있도록 독려할 필요가 있다. 특히 메모리 강국의 이점을 살려 저전력PIM을 바탕으로 온-디바이스 AI에서 세계를 선도하는 산업을 일구어야 하며 뉴로몰픽 칩을 통해 초격차 선도에 나서려는 전략이 필요하다. 또한, 기술 이전과 상용화를 촉진하는 법적·제도적 장치를 마련해 연구 성과가 제품과 서비스로 연결되도록 지원해야 한다.

둘째, 혁신 인재의 발굴과 육성 등 관련 인프라 및 교육 프로그램을 강화해야 한다.

특히, 인공지능반도체대학원과 같은 특화된 교육 기관을 확대하여 AI 반도체 분야의 고급 인재를 지속적으로 배출하는 것이 중요하다. 교육 커리큘럼은 산업계와의 협력을 통해 실무 기반으로 설계되고, 산학 협력 프로그램을 통해 실습과 인턴십 기회를 제공함으로써 학생들이 이론과 실무를 균형 있게 습득할 수 있도록 해야 한다. 이처럼 학계와 산업계 간의 괴리를 줄이는 교육 프로그램을 통해 현장 적응력을 갖춘 고급 엔지니어를 육성해야 한다.

셋째, 엔지니어의 처우를 개선하고 글로벌 네트워크를 형성해야 한다. 

AI 반도체 인재는 글로벌 수요가 높아, 국내 유수 인재들이 해외로 유출되는 것을 방지하는 정책적 노력이 요구된다. 이를 위해 국내 AI 반도체 산업 종사자에 대한 경쟁력 있는 보상 체계를 마련하고, 엔지니어들이 안정적으로 근무할 수 있는 환경을 조성해야 한다. 또한, 해외 우수 인재 유치를 위해 비자 발급 완화, 연구비 지원 등 유입 정책을 마련해 글로벌 인재들이 한국의AI 반도체 산업에 기여할 수 있도록 해야 한다. 또한 해외의 우수 연구자들과 인적 네트워크를 형성하여 세계 기술에 선도적으로 대응하며 국제 시장도 능동적으로 개척하여야 한다.

마지막으로, 국제 표준화와 AI-X와 같은 응용기술에 힘써 세계 시장을 선도해야 한다.

AI 반도체는 고도화된 기술 경쟁이 이루어지고 있는 분야이기 때문에, 국제적 기술 표준화를 주도함으로써 시장 내 입지를 강화하고, 해외 시장 진출의 기반을 마련할 필요가 있다. 또한AI알고리즘, AI반도체 및 AI응용 3가지의 기술을 종합적으로 활용하여전산업과사회전분야에AI의 도입 및 활용을 가속화시키는 AI-X를 국내 주요 기업 및 연구 기관과의 기술 협력을 통해 선도적으로 실현하고, 이를 통해 세계 시장을 선점할 수 있는 여건을 조성해야 한다.

이러한 정책적 노력을 통해 대한민국은AI 반도체 분야에서 독자적인 기술력을 확보하고, 글로벌 경쟁에서 유리한 입지를 차지할 수 있을 것으로 기대된다. 궁극적으로AI 반도체 산업의 선도는 대한민국이 세계 G3로 미래 기술 패권을 쥐는 데 중요한 역할을 할 것이다.

(www.korea.kr)