AI 칩 설계이란 무엇인가요?

AI 칩에는 AI 전용 코어가 탑재된 그래픽 처리 장치(GPU), AI 기능이 강화된 CPU, 맞춤형으로 설계된 특정 용도용 집적회로(ASIC), 신경망 처리 장치(NPU), 그리고 AI 전용으로 설계된 기타 아키텍처 등 여러 종류가 있습니다. 이러한 칩들은 각각 대규모 데이터 센터 구축부터 전력 효율이 중요한 엣지 기기에 이르기까지 다양한 AI 애플리케이션에 최적화된 성능, 전력 효율 및 확장성을 제공하도록 설계되었습니다.

AI 기술이 급속히 발전함에 따라, AI 칩은 자연어 처리, 컴퓨터 비전, 첨단 물리학 및 의료 시뮬레이션, 자율주행 자동차, 로봇공학 등 다양한 분야의 혁신을 이끄는 중추적인 역할을 하고 있습니다. AI 칩의 특화된 아키텍처는 AI 모델의 훈련 및 추론 속도를 높여, 다양한 산업 분야에서 실시간 지능형 의사결정을 가능하게 합니다. 이러한 칩을 설계하려면 실리콘, 패키징, 소프트웨어 전반에 걸친 종합적인 접근 방식이 필요하며, 첨단 설계 기법을 최대한 활용하여 가능한 한 짧은 개발 기간 내에 성능 및 전력 목표를 달성하는 동시에 시스템 수명 주기 전반에 걸쳐 높은 수준의 RAS(신뢰성, 가용성, 유지보수성)를 보장해야 합니다.

AI 칩에 대한 수요의 급격한 증가는 생성형 AI와 대규모 언어 모델(LLM)의 폭발적인 성장과 밀접한 관련이 있습니다. 지난 10년 동안 AI 모델의 규모와 복잡성이 증가함에 따라 그 어느 때보다 더 많은 연산 능력과 메모리가 필요하게 되었습니다. GPT-5, DALL-E 3, Llama 4와 같은 생성형 AI 모델들은 학습 및 추론 요구 사항 모두에서 새로운 기준을 제시했습니다. 이러한 컴퓨팅 요구 사항의 급증은 데이터 센터의 예상 에너지^수요1 역시 급증하게 했으며, 이러한 획기적인 발전이 요구하는 방대한 규모와 속도를 지원하면서도 칩 전력 소비를 줄일 수 있는 새로운 칩 아키텍처에 대한 필요성을 불러일으켰습니다.

연산 및 가속기 코어: AI 칩에는 신경망에서 대규모로 발생하는 수학적 연산을 처리할 수 있는 텐서 코어(tensor core)나 매트릭스 멀티플라이어(matrix multiplier) 같은 다수의 병렬 연산 또는 가속기 코어가 탑재되어 있습니다. 예를 들어 GPU에는 병렬 처리에 최적화된 수천 개의 코어가 포함될 수 있으며, 맞춤형 ASIC 및 NPU는 더욱 특화된 용도로 설계됩니다.

메모리 대역폭: AI 워크로드는 대개 대량의 데이터를 신속하게 이동시켜야 합니다. AI 칩은 일반적으로 고대역폭 메모리(HBM)를 통합하여 연산 코어가 데이터에 빠르게 접근할 수 있도록 함으로써, 병목 현상을 최소화하고 처리량을 극대화합니다.

인터페이스 및 네트워킹: 다이 간 인터커넥트는 UCIe 같은 기술을 활용하여 AI 칩 패키지 내부에 구현할 수 있습니다. NVLink Fusion, UALink 등 AI 칩 간의 고급 인터커넥트 프로토콜과 PCIe 7.0/8.0, 224G/448G 이더넷, 울트라 이더넷(Ultra Ethernet), CXL(Compute Express Link) 같은 칩 대 칩 및 네트워킹 기술이 AI 칩과 시스템 구성 요소를 상호 연결하는 데 사용되며, 이를 통해 AI 팩토리 및 데이터 센터와 같은 고성능 환경에서 신속한 데이터 교환이 가능해집니다.

• GPU: 원래 그래픽 렌더링을 위해 설계된 GPU는 높은 병렬 처리 능력과 딥러닝 연산 지원 덕분에 AI 분야에서 핵심적인 역할을 하게 되었습니다. 최신 GPU는 AI 성능을 향상시키기 위해 텐서 코어 및 행렬 코어와 같은 전용 AI 코어를 탑재하고 있습니다.
• 맞춤형 AI 가속기:  많은 하이퍼스케일러와 스타트업은 AI 처리 속도의 한계를 극복하고 탄소 효율성²을 높이기 위해 맞춤형 ASIC을 개발하고 있으며, 기존 반도체 기업들도 특화된 프로세서를 선보이고 있습니다.
• NPU 및 엣지 AI 칩: NPU(Neural Processing Unit) 및 기타 엣지 AI 칩은 스마트폰, IoT 기기, 자율주행 자동차 등 저전력 환경에서 효율적인 추론을 수행할 수 있도록 최적화되어 있습니다.
• FPGA: 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 이름에서 알 수 있듯이 구성하거나 재구성할 수 있는 완전한 프로그래밍이 가능한 칩입니다. FPGA를 사용하면 알고리즘이나 AI 알고리즘의 일부를 소프트웨어가 아닌 하드웨어에서 가속화할 수 있어 전력 소비를 절감할 수 있습니다.  FPGA는 VHDL이나 Verilog와 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용하여 프로그래밍됩니다. FPGA는 기성 실리콘 부품이므로, 일반적으로 풀 커스텀 ASIC에 비해 비반복 엔지니어링(NRE) 비용이 낮습니다. 그러나 논리 소자(LE), 논리 셀(LC) 또는 조회 테이블(LUT)이 고정된 단위로 제공되기 때문에, 이러한 자원(게이트) 중 일부가 사용되지 않을 수 있으며, 이로 인해 풀 커스텀 설계에 비해 전력 소모가 증가하고 비용 효율성이 떨어질 수 있습니다.  따라서 FPGA는 ASIC의 규모의 경제가 적용되지 않거나 재구성 가능성이 필요한 소량 생산의 특수 설계에 일반적으로 가장 적합합니다.

AI 칩은 기존 프로세서에 비해 몇 가지 주요 이점을 제공하므로, 현대적인 AI 구축에 있어 필수적인 요소로 자리 잡고 있습니다:

• 탁월한 성능: 전용 아키텍처 덕분에 AI 칩은 CPU나 범용 GPU보다 더 빠르게 복잡한 모델과 방대한 데이터 세트를 처리할 수 있습니다.
• 에너지 효율: AI 칩은 전력 소비를 최소화하도록 최적화되어 있어, 대규모 데이터 센터와 전력 효율이 중요한 엣지 기기 모두에 이상적입니다.
• 확장성: 첨단 인터페이스 및 네트워킹 기능을 통해 AI 칩을 대규모 클러스터에 배포할 수 있어, 가장 대규모의 AI 모델에 대한 학습 및 추론을 지원합니다.
• 유연성: 많은 AI 칩이 다양한 AI 프레임워크와 모델 유형을 지원하므로, 자연어 처리와 컴퓨터 비전부터 추천 시스템 및 로봇 공학에 이르기까지 다양한 응용 분야에 적합합니다.
• 총 소유 비용(TCO) 절감: 향상된 성능과 에너지 효율성을 통해 기업은 운영 비용을 절감하고 AI 인프라에 대한 투자 수익률을 극대화할 수 있습니다.
• 미래 대비: AI 칩은 AI 분야의 최신 발전을 지원하도록 설계되어, 시스템이 이 분야의 급속한 혁신에 발맞출 수 있도록 보장합니다.

성공적인 AI 칩을 개발하려면 실리콘 개발 프로세스 및 수명 주기 전반에 걸친 다양한 기술적·전략적 요소에 세심한 주의를 기울여야 합니다. AI 워크로드의 복잡성과 규모가 커지고 설계 주기가 단축됨에 따라, 엔지니어링 팀은 성능 최적화( 첫 실리콘에서의 성공 )와 경쟁 우위를 확보하기 위해 설계, 검증 및 제조 과정에서 발생하는 고유한 과제를 해결해야 합니다.

• 아키텍처 탐색: 초기 아키텍처 탐색은 매우 중요합니다. 개발 팀은 까다로운 AI 모델 요구 사항을 충족하면서 성능, 전력, 면적(PPA)을 최적화하기 위해 연산, 메모리, 상호 연결 리소스 간의 균형을 맞춰야 합니다. 적절한 공정 기술을 선택하고, 파티셔닝 워크로드를 효율적으로 처리하며, 첨단 패키징 기술(예: 2.5D 및 3D 집적)을 활용하는 것은 확장 가능하고 고성능인 AI 칩을 구현하기 위한 기초가 됩니다.
• 실리콘, 패키지 및 소프트웨어의 병렬 개발: AI 칩의 시장 출시 기간을 단축하려면 실리콘 설계, 첨단 패키징 및 소프트웨어 스택 개발이 동시에 진행되는 병렬 개발 접근 방식이 필요합니다. 드라이버, 펌웨어, AI 프레임워크를 포함한 하드웨어와 소프트웨어를 공동으로 최적화하고, 패키징 및 상호 연결 관련 사항을 동시에 통합함으로써 개발 팀은 시스템 수준의 과제를 더 빨리 파악하고 해결할 수 있습니다. 이러한 병렬 개발 방식 덕분에 첫 번째 실리콘 칩이 도착했을 때 패키징과 소프트웨어가 즉시 시동 및 검증에 들어갈 준비가 되어 있어, 전체 개발 주기를 대폭 단축할 수 있습니다.
• IP 통합 및 재사용: 고속 인터페이스, 메모리 컨트롤러, 보안 및 AI 가속을 위한 실리콘 검증 완료된 IP 블록을 활용하면 개발 속도를 높이고, 위험을 줄이며, 상호 운용성을 보장할 수 있습니다. 또한 사전 검증된 IP는 지속적으로 발전하는 인터페이스 표준과 AI 워크로드에 신속하게 대응할 수 있도록 지원합니다.
• 첨단 패키징: 최신 AI 칩은 여러 개의 칩렛 또는 다이를 단일 패키지로 통합하기 위해 2.5D 및 3D 집적 와 같은 첨단 패키징 기술에 점점 더 많이 의존하고 있습니다. 이러한 기술은 더 높은 대역폭, 더 낮은 지연 시간, 그리고 컴퓨팅, 메모리, I/O를 위한 최고 수준의 공정 기술을 통합하는 데 있어 더 큰 유연성을 제공합니다. 그러나 첨단 패키징은 전원 공급 및 열 관리 측면에서 새로운 과제를 야기합니다. 설계 주기 초기에 정확한 전력 및 열 시뮬레이션을 수행하는 것은 과열을 방지하고, 안정적인 작동을 보장하며, 전반적인 시스템 성능을 최적화하는 데 필수적입니다. 이러한 과제를 사전에 해결함으로써 엔지니어링 팀은 첨단 패키징을 최대한 활용하여 차세대 AI 워크로드에 필요한 성능, 에너지 효율성 및 확장성을 달성할 수 있습니다.
• 조기 소프트웨어 개발: 특화된 AI 워크로드를 위한 소프트웨어 정의 실리콘을 구현하려면 AI 칩 설계 초기 단계부터 소프트웨어 개발을 시작하여 성능과 전력을 최적화하고, 실리콘 칩 입수 시 신속한 시스템 브링업(Bring-up)을 달성해야 합니다. 가상 프로토타입, 에뮬레이션, 프로토타이핑 플랫폼을 활용해 하드웨어와 병행하여 드라이버 및 펌웨어를 개발하고 워크로드 테스트를 수행함으로써, 소프트웨어 팀은 초기 실리콘 제작 완료 시점보다 훨씬 앞서 통합과 최적화를 시작할 수 있습니다. 이를 통해 아키텍처 병목 현상을 식별하고, 성능과 전력을 최적화하며, 전반적인 프로젝트 리스크를 줄이고, 실리콘 입수 즉시 프로덕션 수준의 워크로드를 안정적으로 실행할 수 있도록 지원합니다.
• 검증 및 타당성 확인: RTL 검증과 시스템 수준 타당성 확인을 가속화하여 코너 케이스 버그를 조기에 발견하기 위한 하드웨어 지원 검증(HAV)을 포함한 포괄적인 검증이 필수적입니다. 실리콘 제작 전 프로토타입에서 실제 AI 워크로드와 소프트웨어 스택을 실행하면 기능적 정확성, 성능 및 상호 운용성을 보장하는 데 도움이 됩니다.
• 보안 솔루션: AI 칩이 핵심 인프라 및 애플리케이션의 중심이 됨에 따라, 실리콘, 소프트웨어, 시스템 스택 전반에 걸쳐 강력한 보안 솔루션이 필수적입니다. AI 워크로드에는 모델 동작을 손상시키기 위해 적대적 데이터가 주입되는 학습 데이터베이스 변조, 그리고 배포된 AI 모델에 대한 무단 액세스나 조작으로 시스템 무결성이나 지적 재산권을 위협하는 추론 모델 변조 또는 도용과 같은 고유한 보안 위협이 따릅니다. 이러한 위험에 대응하려면 칩 수준에서 보안 부팅, 하드웨어 신뢰 루트(Root of Trust), 암호화 가속기를 통합하고, 메모리 내 및 연산 중 모델 데이터와 가중치를 보호하며, 안전한 프로비저닝 및 업데이트 메커니즘을 지원하는 다층적 보안 접근 방식이 필요합니다. 고급 보안 IP, 실시간 모니터링, 수명 주기 관리 도구를 통해 AI 칩 개발자는 새로운 위협을 감지, 예방, 대응하여 개발부터 배포에 이르기까지 신뢰할 수 있는 작동을 보장하고 민감한 AI 자산을 보호할 수 있습니다.
• 제조 및 테스트를 고려한 설계(DFM/DFT): 제조 가능성과 테스트 가능성은 설계 초기 단계부터 고려되어야 합니다. 견고한 DFM/DFT 방법론을 도입하면 수율, 신뢰성 및 시장 출시 기간이 개선되며, 이는 특히 첨단 공정 노드 및 다중다이 설계에서 매우 중요합니다.
• 협업과 생태계: 성공적인‘ AI 칩 ’ 프로그램의 성패는 아키텍처, 설계, 검증, 패키징 및 소프트웨어 팀 간의 긴밀한 협업에 달려 있습니다. EDA 툴, IP 공급업체, 파운드리, 패키징 파트너 및 설계 서비스로 구성된 견고한 생태계를 활용하면 개발 속도를 높이고 양산 과정의 위험을 줄일 수 있습니다.

이러한 고려 사항을 반영함으로써 엔지니어링 팀은 ‘ 첫 실리콘에서의 성공 ’의 실현 가능성을 극대화하고, 시장의 성능, 에너지 효율성 및 신뢰성에 대한 기대치를 충족하는 차별화된 AI 칩을 제공할 수 있습니다.

인공지능(AI)이 산업 전반을 혁신함에 따라, 반도체 분야의 두 가지 핵심 개념인 AI 칩 설계와 AI 기반 칩 설계를 구분하는 것은 매우 중요합니다.

AI 칩 설계는 현대 AI를 구동하는 특수 목적 하드웨어를 구축하는 데 중점을 둡니다. GPU, NPU, 맞춤형 ASIC와 같은 이러한 칩들은 딥러닝 및 생성형 AI와 같은 AI 모델에 필요한 복잡한 연산과 방대한 양의 데이터를 효율적으로 처리하도록 설계되었습니다. 설계 과정은 아키텍처 혁신에 전적으로 초점을 맞추고 있으며, 컴퓨팅 코어, 메모리 대역폭, 상호 연결 구조를 최적화하여 데이터 센터부터 엣지 기기에 이르기까지 모든 환경에서 AI 애플리케이션에 최고의 성능, 에너지 효율성 및 확장성을 제공합니다.

반면, AI 기반 칩 설계는 칩 개발 과정 자체에 인공지능을 활용하는 것을 의미합니다. 강화학습, 생성형 AI, 자율 에이전트와 같은 AI 기술이 전자 설계 자동화(EDA) 도구에 내장되어 칩 설계, 검증, 테스트를 자동으로 최적화합니다. AI를 활용해 설계 옵션을 신속하게 탐색하고 반복적인 엔지니어링 작업을 처리함으로써, 팀은 더 우수한 결과를 더 빠르게 도출할 수 있으며 엔지니어들은 창의성과 차별화에 집중할 수 있습니다.

간단히 말해, ‘ AI 칩 ’ 설계는 AI용 칩을 개발하는 것을 목표로 하는 반면, ‘ AI 기반 칩 설계 ’는 AI를 활용하여 칩 개발의 생산성과 효율성을 높이는 것을 목표로 합니다.

Synopsys는 AI 칩 개발을 위한 포괄적 솔루션을 제공하는 선도 기업으로서, 반도체 설계 엔지니어, 검증 엔지니어, 패키징 엔지니어, 소프트웨어 개발자 및 테스트 엔지니어가 최첨단 AI 칩을 더 빠르고 효율적으로 시장에 출시할 수 있도록 지원합니다.

Synopsys AI 칩 개발 솔루션:

• AI 기반 EDA: Synopsys 전자 설계 자동화(EDA) 도구에 인공지능 및 생성형 AI 코파일럿 지원 기능을 통합하여, 설계 팀이 전력, 성능, 면적(PPA)을 최적화하는 동시에 생산성을 높이고 AI 칩 설계의 시장 출시 기간을 단축할 수 있도록 지원합니다.
• 실리콘 검증 완료 IP 솔루션: Synopsys 다양한 파운드리 업체를 지원하는 최첨단 공정 노드용 고속 인터페이스(HBM, PCIe, 이더넷), 메모리 컨트롤러, AI에 최적화된 처리 코어 등을 포함한 광범위한 실리콘 검증 완료 IP 솔루션 포트폴리오를 제공하여, 개발 위험을 줄이고 시장 출시 기간을 단축합니다.
• 2.5D 및 3D 멀티-다이 패키지 설계: Synopsys 고대역폭 메모리를 컴퓨팅 및 I/O 인터페이스( 칩렛 )와 함께 멀티-다이 패키지에 통합할 수 있게 해주며, 이는 최신 AI 칩의 성능 및 대역폭 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다.
• 하드웨어 지원 검증(HAV): Synopsys의 하드웨어 지원 검증(HAV)은 에뮬레이션 및 프로토타이핑 하드웨어 플랫폼에서 실제 워크로드를 실행하여 복잡한 AI 칩의 신속한 시스템 수준 검증을 지원함으로써, 버그 검출을 가속화하고 실리콘 테이프아웃 전 기능 및 성능 무결성을 보장하는 데 기여합니다.
• 에이전틱 AI 및 엔지니어링 자동화: Synopsys는 AI 에이전트를 활용한 엔지니어링 워크플로 자동화를 선도하며, AI 칩 설계 분야에서 생산성과 혁신을 한 차원 더 끌어올리고 있습니다.

Synopsys의 첨단 EDA 도구, IP 솔루션, 패키지 설계 및 시뮬레이션 기술, HAV, 그리고 Agentic AI 자동화 기술을 활용함으로써, 엔지니어링 팀은 차세대 AI 칩의 설계, 검증 및 제조 과정에서 직면하는 과제를 효율적으로 해결할 수 있습니다.