GPU보다 100배 빠른 ‘멤리스터’ 칩 개발

- 미시간 대학 웨이 루 교수팀, 머신러닝 처리 ‘메모리 스타칩’ 프로토타입 개발

CPU보다 최대 1만 배 빠른 속도로 연산 가능한 머신러닝 처리 장치 ‘메모리 스타칩’ 프로토타입이 등장했다.

미시간 대학 웨이 루 교수 연구팀은 꿈의 소자로 여겨지는 ‘멤리스터’를 사용해 현재 컴퓨터에 탑재된 CPU보다 최대 1만 배나 빠른 속도로  머신러닝을 처리할 수 있는 연산 장치를 개발했다.

연구 성과는 네이처지에 논문명 ‘효율적인 다중 연산을 위한 완전히 재구성 가능한 memristor-CMOS 시스템(A fully integrated reprogrammable memristor–CMOS system for efficient multiply–accumulate operations)’으로 7월 15일(현지시간) 게재됐다.

미시간 대학이 개발한 머신러닝 처리 ‘메모리 스타칩’ 프로토타입 [Image credit: Robert Coelius, Michigan Engineering]

멤리스터(memristor)는 메모리(Memory)와 저항(Resister)의 합성어로 전류의 흐름을 방해하는 저항기와 같은 양상을 보인다. 멤리스터는 사람의 뇌와 비슷하게 뇌의 신경망을 구성하는 시냅스처럼 작동해 인지기능을 수행한다. 

멤리스터는 논리 연산 장치와 기억 소자의 두 가지 역할을 가지고 있다. 기억 소자로는 아날로그 데이터를 유지하기 위해 비 휘발성 메모리로 활용이 가능하고, 또한 적화연산(FMAD)이 가능하다. 따라서 멤리스터는 전류가 끊긴 상태에서도 과거의 전류 흐름을 기억해 저항이 스스로 변하는 특성을 지녔다. 

즉 멤리스터는 컴퓨터용 테라비트 메모리 또는 CPU로도 발전해 인간의 신경망 회로를 인공적으로 구현할 소자로도 활용할 수 있어, 실제 뉴런과 시냅스와 같은 유기칩(Organic Chip)으로 발전할 가능성이 높다.

가령 멤리스터로 구축된 컴퓨터들은 즉각 부팅 되고, 노트북은 배터리가 방전되면 최종 작업했던 세션/화면이 그대로 유지되며, 모바일 휴대폰들은 배터리 충전 없이 1개월 이상을 사용할 수 있다. 

웨이 루 교수 연구팀은 2009년부터  미국 국방성 산하 국방차세대연구프로젝트원(DARPA)와 미국과학재단(NSF) 등의 후원을 받아 멤리스터를 개발해 왔다. 그런데 이번에는 프로토타입을 완성한 것이다.

미시간 대학 웨이 루 교수(오른쪽)와 전기공학 박사 과정 이승환(왼쪽). [Image credit: Robert Coelius, Michigan Engineering]

루 교수는 “GPU는 전력소비 및 처리량 측면에서 CPU보다 약 10배에서 100배 우수하지만, 메모리 스타칩은 GPU보다 약 10배에서 100배 뛰어나다”고 말했다. 

연구팀은 실제로 5800개의 멤리스터에 OpenRISC CPU, 통신 회로, 아날로그와 디지털 간의 변환을 갖춘 메모리 스타칩 프로토타입을 활용해 머신러닝 알고리즘을 수행 프로그램을 작성했다. 

이후 메모리 스타칩을 이용 실제로 머신러닝을 실시한 결과, 그리스 문자를 판별하는 기초적인 퍼셉트론과 이미지의 패턴을 식별 및 분류 최적화하는 스파스 모델링(Sparse modeling)에서 100% 정확도를 달성했다. 

또 유방암 검사 데이터에서 공통점과 차별점을 찾기 2개층 신경망의 머신러닝에서는 94.6%의 정확도로 악성 암과 양성 암을 분류했다. 

하지만 아직은 멤리스터 내부에 유지되는 아날로그 정보에 대한 신뢰성에 문제로 상용화되기까지는 넘어야 할 과제가 남아 있다고 밝혔다.

김들풀 기자 itnews@