초록 ▼

(1) 연구 과제 개요
￭ 연구 목표
○ Open PIM을 위한 개방형 플랫폼 구축
○ PIM을 위한 소자-회로-아키텍처-소프트웨어 기술융합 개발
○ 최종목표 End Product
- 오픈소스 Open PIM 플랫폼 및 개발 프로토타입
- MRAM, RRAM 기반의 PIM Cell IP
- PIM 회로 IP (주변회로, PLL, DLL, 인터페이스) 데이터 베이스
- PIM 아키텍처 시뮬레이터 및 에뮬레이션 프레임워크
- PIM을 위한 ISA, 컴파일러, 런타임

(1) 연구 과제 개요
￭ 연구 목표
○ Open PIM을 위한 개방형 플랫폼 구축
○ PIM을 위한 소자-회로-아키텍처-소프트웨어 기술융합 개발
○ 최종목표 End Product
- 오픈소스 Open PIM 플랫폼 및 개발 프로토타입
- MRAM, RRAM 기반의 PIM Cell IP
- PIM 회로 IP (주변회로, PLL, DLL, 인터페이스) 데이터 베이스
- PIM 아키텍처 시뮬레이터 및 에뮬레이션 프레임워크
- PIM을 위한 ISA, 컴파일러, 런타임을 포함하는 소프트웨어 스택

(2) 연구 내용
○ Open PIM을 위한 개방형 플랫폼 구축
- 자체 PIM 기술연구와 더불어, 여러 다른 단체의 PIM 연구와 협력을 촉진하기 위해 Open PIM 플랫폼 제시
- PIM 플랫폼의 전반에 표준화된 오픈소스를 제공하여 산업 전반에 영향력을 넓히고 시장을 선점함
○ PIM을 위한 소자-회로-아키텍처-소프트웨어 기술융합 개발
- (소자) PIM에 효율적인 차세대 비휘발성 메모리 소자 (MRAM, RRAM) 개발
- (회로) PIM Macro를 구성하는 주변 회로 개발
- (회로) PLL, DLL, 인터커넥트등 PIM에 필수적인 회로 IP 개발
- (아키텍처) Macro를 기반으로 하는 전체 PIM 아키텍처 개발
- (아키텍처) PIM을 위한 Instruction Set Architecture 개발
- (소프트웨어) PIM을 위한 커널, 컴파일러, 런타임 개발
- (소프트웨어) Open PIM 전용 소프트웨어 툴 체인 개발
- 각 분야의 개별적이고 파편화된 개발을 지양하고, 통합된 융합 플랫폼을 개발

(3) 연구 성과 우수성
￭ 주요실적
1. PIM 아키텍처 개발
○ PIM 연산기를 위한 기존 메모리 및 PIM 하드웨어 분석
○ PIM 기반 하드웨어 Throughput 및 BW 분석
○ 기존 SRAM 기반 PIM 하드웨어 문제점 분석
2. PIM 소자 개발
○ 전압제어 기반 저전력 자성메모리 스위칭 개발
○ 자성메모리 기반 지능형반도체 소재 기술 개발
○ 차세대 메모리 활용 PIM 기술 개발
○ PIM용 고성능 FeFET 개발을 위한 주요 요소기술 개발
3. PIM 회로 개발
○ 프로세서의 초고속 DVFS을 위한 FIVR 개발
○ 고속 voltage scaling 구동회로 개발
○ 배터리로 구동되는 초저전압 프로세서를 위한 고효율 PMIC 개발
○ 고속 DVFS를 위한 PMIC 구조 및 방법 개발
○ Far End Crosstalk(FEXT)로 인한 신호 왜곡 보상
○ PIM interconnection을 위한 interposer 및 Through Silicon Via(TSV) 모델링
○ 효율적인 PIM 연산 요소 구현
○ 효율적인 PE 간 데이터 이동 방식 탐색
○ PIM interface에 클락을 제공하기 위한 Ring-VCO 기반 Fractional-N 초저잡음 PLL회로 개발
4. PIM SW 구축
○ 다수의 PIM 가속기를 활용한 응용 및 컴파일러 개발을 위한 기반 소프트웨어 스택 설계

(4) 연구 향후 기대효과 및 차년도 계획
￭ 연구 결과물의 향후 기대효과 및 차년도계획
• 연구성과 기대효과
○ (기술적 측면) 많은 데이터 입출력을 요구하는 인공지능, 빅데이터 컴퓨팅의 필요성이 대두되는 시점에서 효율적인 메모리 중심 컴퓨팅 표준을 제시하여 미래 아키텍처를 선점
○ (기술적 측면) 표준화된 IP 데이터베이스와 ISA, 소프트웨어 스택의 통합을 통해 파편화된 기술을 유기적인 최적화가 가능하도록 함
○ (경제적·산업적 측면) 대한민국이 선도하고 있는 메모리 반도체 기술력과 시너지 효과를 낼 수 있는 PIM 플랫폼을 통해 미래 산업의 구심점 확보
○ (사회적 측면) 현대 사회의 모든 분야에 데이터의 중요성은 어느 때보다 크게 대두되는 상황이며, PIM을 통해 클라우드, 모바일 서비스를 포함한 전방위적인 산업의 고도화 가능
○ (학술적 측면) 오픈소스 플랫폼과 프로토타입을 통해 학교뿐만 아니라 스타트업과 같이 인프라가 부족한 단체에서도 차세대 기술을 도입하여 지속 가능한 연구환경을 구축할 수 있도록 함

• 차년도계획
1. PIM 아키텍처 개발
○ 기존 SRAM 기반 PIM 하드웨어의 문제점 해결한 PIM 아키텍처 제시
○ 제안한 PIM 하드웨어 아키텍처에 대한 cycle accurate simulator 제작
2. PIM 소자 개발
○ 저전력 PIM 소자 개발을 위한 고효율 SOT-MRAM 소재 개발
○ SOT-MRAM 기반 PIM 소자로 가변 논리 회로 구현
○ 융합연구분야 석·박사 양성
○ PIM용 고성능 FeFET 성능 고도화 및 CMOS 호환 공정 개발
3. PIM 회로 개발
○ PIM 에너지효율 및 성능 co-optimization을 위한 고속 dynamic voltage scaling (DVS)를 지원하는 강건한 전원관리(PMU) IP 개발
○ 다채널 EOM 기반 DFE 알고리즘의 적용
○ PIM interconnection을 위한 interposer 및 TSV 채널 모델 개선
○ PIM 가속 회로 설계
○ Ring-VCO 기반 Fractional-N 초저잡음 PLL회로 CMOS 공정 제작 및 성능 검증
○ PIM Interface 사양 분석 및 구조 설계
4. PIM SW 구축 및 플랫폼 통합
○ 다수의 PIM 가속기를 활용할 수 있는 목표 응용 조사 및 성능특성화
○ 소자-회로, 회로-아키텍처, 아키텍처-SW 통합을 위한 플랫폼 개발

￭ 사회적/경제적 파급효과
○ 소자, 회로, 아키텍처, 소프트웨어 전반에 걸친 융합 플랫폼 개발로, 표준화된 PIM 생태계 구축에 활용
○ 오픈소스 PIM 플랫폼을 통해 하드웨어, 소프트웨어 생태계 전반에 기술을 배포할 수 있도록 하여 높은 영향력, 파급력을 확보하여 기술을 선점

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 7
• 1. 연구목적 및 필요성 ... 8
• 1) Processing-in-Memory (PIM) 기술개발의 필요성 ... 8
• 2) 국내 PIM 반도체 정책 및 예산편성 현황 ... 11
• 3) KAIST의 PIM 연구 준비 상황 ... 12
• 4) 국내외 PIM 연구 현황 ... 12
• 5) 국내·외 PIM 시장 동향 ... 15
• 2. 연구목표 및 내용 ... 19
• 1) 연구 개요 ... 19
• 2) Open PIM 플랫폼 개발의 중요성 ... 19
• 3) 융합 PIM 플랫폼을 통한 협업 생태계 구성 ... 20
• 4) 연차별 단계적 연구목표 및 내용 ... 21
• 3. 추진방법 및 전략 ... 22
• 1) 연구팀 간의 협력 연구 추진 전략 ... 22
• 2) 연구개발 추진 프로세스 ... 24
• 3) 연구 개발팀 편성도 ... 26
• 4. 기대되는 성과 및 활용방안 ... 27
• 1) 연구개발 성과의 활용방안 ... 27
• 2) 연구개발 성과의 기대효과 ... 28
• 3) SWOT 분석 ... 31
• 4) 사업화 전략 ... 31
• 5) 해외시장 진출 계획 ... 32
• 6) 사업화에 따른 기대효과 ... 32
• 5. 추진일정 ... 35
• 6. 연구원 편성표 ... 35
• 참고문헌 ... 37
• 약어표 ... 38
• 끝페이지 ... 39