4차 산업혁명 시대를 맞아 반도체 시장에 새로운 바람이 불고 있다. 현재 반도체 시장에서 부동의 1위를 지켜오고 있는 기업은 인텔이다. 인텔은 1980년 메모리 시장에서 철수한 이후 그보다 가격 경쟁력이 훨씬 높은 비메모리 반도체, 즉 CPU에 집중해왔다.
데이터 저장이 목적인 메모리 반도체에 비해 비메모리 반도체는 연산이나 논리작업 등과 같은 정보 처리를 목적으로 제작되는 반도체다. 비메모리 시장 규모는 메모리 시장의 3~4배이다. 가장 대표적인 비메모리 반도체가 CPU인데, 가격이 메모리 반도체의 10배에 이를 만큼 높다. 인텔은 PC용 CPU에서 압도적인 1위 업체였다.
그런데 비메모리 반도체 시장이 요동치고 있다. 근본적인 원인은 바로 4차 산업혁명의 핵심기술인 인공지능(AI) 때문이다. 굳건하던 인텔의 아성을 위협하고 있는 업체는 엔비디아(NVIDIA). 이 업체는 지포스라는 PC 그래픽카드를 만드는 회사로 대중에게 익숙하다.
지난 1월 미국 라스베이거스에서 성황리에 개최된 세계 최대 규모의 가전 전시회 ‘CES 2017’에서 엔비디아는 업계의 비상한 관심을 끌었다. 이미 성장률이 정체된 PC의 그래픽카드를 만드는 회사가 어떻게 인텔의 아성을 위협하고, CES에서 주목받는 기업이 된 것일까.
그것은 최근 급격한 수요 증가를 보이고 있는 GPU 분야에서 엔비디아가 독보적인 세계 1위 기술을 지니고 있기 때문이다. GPU(Graphic Processing Unit)는 본래 개인용 컴퓨터에서 게임과 같은 고화질 고용량 이미지와 영상을 빠르게 처리하는 용도의 특화된 반도체다.

NASA의 소행성 프로그램에도 GPU 적용

순차적인 연산작업을 하는 용도의 CPU(Central Processing Unit)는 최적화된 몇 개의 코어(프로세서의 두뇌)로 이루어져 있다. 그에 비해 GPU는 동시에 여러 연산 작업을 진행하는 병렬 처리를 하기 위해 수천 개의 작은 코어로 이루어져 있다.
예를 들어 인텔의 서버 CPU는 최대 28개의 코어를 가지고 있지만, 엔비디아의 최근 프로세서는 3584개의 코어를 기반으로 한다. 따라서 GPU는 단순 연산을 빠르게 처리하기에 유리할 뿐더러, CPU보다 저렴하고 전력사용량도 적다는 장점을 지닌다.
GPU의 장점은 무엇보다 인공지능 분야를 지원하기 위한 도구로서 적합하다는 데 있다. 인공지능 프로그램의 경우 방대한 양의 데이터를 처리해야 하므로, GPU처럼 높은 컴퓨팅 연산능력을 필요로 하기 때문이다.
엔비디아의 GPU는 미국 항공우주국(NASA)의 소행성 충돌 예방 프로그램에도 적용되어 화제를 모았다. NASA는 지구를 위협하는 소행성을 모두 찾아내기 위해 ‘프론티어 개발 연구실’을 창설했다. 이 연구실이 수행 중인 프로그램에 딥러닝 기술이 적용된 엔비디아의 GPU가 사용된 것.
NASA는 GPU의 사용으로 기존에 6개월 이상 소요되던 작업을 단 6주 만에 완료하는 등 각 연구의 소요 시간을 획기적으로 단축할 수 있었다고 밝혔다. NASA 관계자는 GPU의 역할이 1960년대 후반 아폴로프로젝트에서 마이크로프로세서의 역할에 견줄 만큼 중요하다고 주장했다.
과학기술정책연구원(STEPI)에서 발행하는 ‘과학기술정책’지의 최근호 해외 혁신동향 기사에 의하면, 이외에도 많은 회사들이 인공지능 프로그램 혹은 시각화나 가상현실에 필요한 소프트웨어 인프라 구축을 위해 엔비디아의 칩을 사용하고 있다.
엔비디아의 지난 4분기(2016년 11월~2017년 1월) 매출은 전년 동기 대비 55% 늘어난 22억 달러를 기록했으며, 회사의 주가는 지난 1년 동안 4배나 상승했다.

특수 목적의 비메모리 반도체 경쟁 치열

최근 들어 엔비디아는 GPU 외에도 딥러닝을 기반으로 자율주행자동차와 로봇 분야의 인공지능 기술을 선도하는 기업으로 성장하고 있다. 한국정보화진흥원의 최근 보고서에 의하면, 엔비디아는 특히 자율주행 차량 관련 시장에서 독보적인 위치를 확보하고 있다.
오랫동안 협력 관계를 유지해온 아우디와 함께 2020년까지 Level 4의 자율주행 자동차를 출시할 예정이며, 1년 내로 메르세데스-벤츠와의 파트너십을 기반으로 자율주행차를 선보일 계획이다. 현대자동차의 자율주행차인 아이오닉에도 엔비디아의 반도체를 사용하고 있으며, 미국 자동차 시총 1위를 기록한 테슬라의 자율주행 관련 장비에도 엔비디아 제품이 채택됐다.
한편, 기존의 1위 업체 인텔도 엔비디아 GPU의 대항마로 ‘나이츠 밀(Knighs Mill)’이라는 새로운 프로세서를 올 여름에 정식 출시할 예정이다. 서버 및 워크스테이션을 대상으로 하는 나이츠 밀은 머신러닝과 인공지능 활용에 초점을 맞춘 칩이다.
GPU의 경우 서버나 워크스테이션에서 작동하기 위해선 별도의 CPU가 필요하다. 하지만 나이츠 밀은 컴퓨터를 직접 부팅할 수 있는 칩이므로 GPU에 비해 상대적인 장점을 지니고 있는 것으로 알려졌다.
인텔은 2015년에 FPGA를 제조하는 알테라를 인수했으며, 지난해 8월에는 특수 인공지능 시스템을 개발하는 스타트업 너바나를 인수했다. FPGA는 프로그래밍과 재설정이 가능한 비메모리 반도체로서, 높은 유연성으로 대용량 데이터 처리에 적합하다는 장점을 지닌 특수 목적의 프로세서다. 또한 인텔은 너바다의 기술이 탑재된 ‘나이츠 크레스트’라는 칩도 개발 중이다.
인공지능 기술의 발전과 사물인터넷, 빅데이터, 자율주행차 등에 탑재되는 반도체의 수요가 급격히 늘어남에 따라 이에 적합한 특수 목적의 새로운 비메모리 반도체의 경쟁도 앞으로 더욱 치열해질 전망이다.