ARM, 와트당 성능이 새로운 무어의 법칙

ARM, 무어의 법칙 시대 저물고 '와트당 성능'이 미래 기술 로드맵 이끈다

반도체 업계의 오랜 나침반 역할을 해온 무어의 법칙이 한계에 다다르면서, 이제는 '와트당 성능(Performance per Watt)'이 미래 기술 발전의 새로운 패러다임으로 부상하고 있습니다. ARM은 이러한 변화의 중심에서 지속 가능한 기술 발전을 선도하고 있습니다.

무어의 법칙은 칩당 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 늘어나고 비용은 상대적으로 감소할 것이라는 예측에서 시작해, 기술 발전의 청사진이자 자기실현적 예언이 되었습니다. 이 법칙 덕분에 프로세서는 12mm² 면적에 2,250개의 트랜지스터에서 현재는 제곱밀리미터당 1억 개 이상의 트랜지스터를 집적하는 수준으로 발전했습니다. 이러한 혁신은 디지털 이미지의 선명도 향상, 고품질 게임 구현, 더욱 정확해진 음성 및 이미지 인식 등 사용자 경험을 혁신적으로 변화시켰습니다.

하지만 2019년에도 지적되었듯이, 무어의 법칙은 속도가 둔화되고 있습니다. 트랜지스터가 너무 작아져 게이트를 구성하는 원자 수가 수십 개에 불과하고, 신호 타이밍에 있어 다결정 구리 결정립의 구조가 중요하게 고려될 정도입니다. 이러한 물리적 한계는 무어의 법칙이 더 이상 기술 발전의 유일한 동력이 될 수 없음을 시사합니다.

이러한 상황에서 기후 변화는 기술 개발에 새로운 변수로 떠올랐습니다. 무어의 법칙이 처음 제시될 당시, 컴퓨팅은 비교적 새로운 분야였으며 기후 변화에 대한 인식은 미미했습니다. 당시에는 컴퓨터가 에너지 소비가 많은 기기였지만, 그 수가 많지 않아 에너지 소비와 기후 변화의 상관관계는 큰 주목을 받지 못했습니다.

그러나 21세기에 접어들면서 인터넷 접속은 의료 정보부터 식료품 쇼핑까지 모든 것에 필수적인 기본 인프라가 되었습니다. 디지털 접근성은 기회의 문을 여는 열쇠가 되었으며, 온라인을 통해 정보 공유, 학습, 구직 활동이 이루어집니다. 디지털 소외와 사회적 소외의 연관성은 명확히 입증되었지만, 전 세계 37억 명은 여전히 완전한 디지털 기술 접근권을 누리지 못하고 있습니다.

디지털 격차 해소는 도덕적 의무일 뿐만 아니라 기술 산업에 새로운 과제를 안겨줍니다. 37억 명의 새로운 디지털 소비자가 기후 변화를 재앙적으로 가속화하지 않으면서, 모든 사람에게 어디서든 연결성을 제공하는 방법을 찾아야 합니다. 따라서 기술 로드맵은 더 이상 처리 능력 향상에만 초점을 맞출 수 없습니다. 동일한 칩에서 더 많은 성능을 끌어내는 것은 여전히 최우선 과제이지만, 이제는 '와트당 성능'이 핵심이 되었습니다.

단순히 소비되는 전력량(watts)뿐만 아니라, 일정 시간 동안 소비되는 총 에너지(energy) 또한 중요합니다. 이 두 가지 모두 중요하지만, 대부분의 상황에서는 와트당 성능이 더 큰 의미를 갖습니다. 데이터센터는 열 에너지 방출 능력에 의해 제한되며, 개별 서버는 전력 제한에 직면합니다. 모바일 기기는 배터리 에너지 저장 용량에 의해 제한되며, 순간적인 전력은 열 제약에 의해 한정됩니다. 태양광 전지로 작동하는 센서는 방대한 에너지를 활용할 수 있지만, 생성할 수 있는 전력량은 제한적입니다.

이처럼 전력, 에너지, 열은 모든 컴퓨팅 장치를 제한하는 요소입니다. 제품 수준에서는 이러한 한계 내에서 와트당 성능을 극대화하는 것이 목표이며, 전 지구적으로는 이러한 한계를 줄여나가는 것이 목표입니다.

이러한 맥락에서 '쿠미의 법칙(Koomey's Law)'은 계산 효율성의 중요한 지표로 주목받고 있습니다. 2010년 스탠포드 대학의 조나단 쿠미 교수가 제시한 이 법칙은 단위 줄(Joule)당 소비되는 에너지로 수행할 수 있는 계산량의 증가 추세를 설명합니다. 1945년부터 2000년까지는 18개월마다 두 배씩 증가했지만, 이후로는 약 2.6년마다 두 배씩 증가하는 것으로 나타났습니다. 쿠미의 법칙은 컴퓨팅 파워의 주요 지표가 최고 효율에서 최근에는 일반 사용 효율로 변화하고 있음을 반영하며, 전력 예산의 상대적으로 정적인 특성 또한 보여줍니다.

쿠미의 법칙은 소비자들이 컴퓨팅을 경험하는 방식, 그리고 기술 로드맵을 구축해야 하는 방식과 더 밀접하게 연관되어 있습니다. 우리의 디지털 생활은 여러 기기에 걸쳐 있으며, 배터리 수명과 와트당 성능이 단순한 총 성능보다 더 중요해지고 있습니다. 이는 제조업체들이 효율성 향상에 노력을 집중하는 이유를 설명해 줍니다.

전력 소비를 줄이기 위해서는 효율성에 대한 철저한 집중이 필수적입니다. 컴퓨팅의 탈탄소화에 대한 필요성은 그 어느 때보다 커지고 있습니다.

무어의 법칙과 쿠미의 법칙은 자연의 법칙이 아니라 기술 발전 방향에 대한 관찰이며, 이를 통해 미래를 예측할 수 있습니다. 쿠미의 법칙을 외삽하면, 장치는 계속해서 전력 효율성이 높아져 환경에서 에너지를 수확할 수 있을 정도로 저전력 프로세서를 갖게 될 것으로 예상됩니다.

이러한 기술은 이미 일부 존재합니다. 예를 들어, 수동형 RFID 태그는 배터리를 사용하지 않고 태그를 읽는 장치에서 발생하는 전자기 에너지를 수확합니다. ARM의 Project Triffid와 같이 저전력 또는 배터리 없는 MCU를 내장하면, 실시간 데이터 처리가 가능해져 그리드에 부담을 주지 않으면서 지능을 갖춘 수십억 개의 지속 가능한 장치를 구현할 수 있습니다. 배터리 없는 기술은 배터리 생산에 필요한 채굴과 전자 폐기물을 줄여 환경적 이점도 가져옵니다.

초저전력 처리를 활용하기 위한 워크로드 최적화도 TinyML과 같은 움직임을 통해 주목받고 있습니다. TinyML은 머신러닝(ML) 워크로드를 최적화하여 밀리와트(mW) 수준의 전력으로 실행할 수 있도록 합니다. 이러한 수요에 맞춰 ARM은 최근 ML 추론을 가속화하기 위해 설계된 마이크로 NPU인 Arm Ethos-U65를 출시했으며, 이는 IoT 장치에서 ML 워크로드의 에너지 소비를 최대 90%까지 줄여줍니다.

전 세계 수십억 명의 새로운 기술 사용자에게 연결성의 혜택을 공유하면서, 효율성에 대한 이러한 끊임없는 집중은 더욱 중요해질 것입니다. 재앙적인 기후 변화를 피하려면 전력 및 에너지 소비량을 안정적으로 유지하는 것만으로는 부족합니다. 컴퓨팅이 발생하는 모든 곳에서 에너지 소비를 줄이고 배출량을 낮추기 위해 적극적으로 노력해야 합니다.

와트당 성능은 새로운 패러다임이 되어야 하며, 점점 더 줄어드는 전력 범위에서 더 많은 성능을 추출하는 제품 로드맵을 안내해야 합니다. 기술이 환경 문제의 해결책이 되면서 동시에 문제를 악화시키는 요인이 되는 긴장 관계는 새로운 것이 아니지만, 기술의 순 기여도가 긍정적인지 여부는 우리 행성의 미래에 매우 중요합니다. 와트당 성능 극대화는 이러한 노력의 일부이며, 이는 ARM의 DNA에 깊숙이 새겨져 있습니다. 또한, 스마트 온도 조절기가 가스 소비를 줄이는 것처럼, 컴퓨팅 능력을 향상시켜 전체 시스템의 효율성을 높이는 방안도 모색해야 합니다.

기반 기술 제공업체로서 ARM은 컴퓨팅의 환경 영향을 줄이면서 그 이점을 극대화할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. ARM은 생태계가 와트당 성능을 높이고 배출량을 낮추도록 지원함으로써, 기술이 기후 솔루션의 일부로서 역사적으로 올바른 편에 서고 지속 가능한 미래를 만드는 데 기여하도록 할 수 있습니다.

ARM의 지속 가능성 비전은 연결성이 지구의 희생을 대가로 해서는 안 된다는 것입니다. 기술의 환경 영향을 최소화하기 위해 ARM은 저전력 컴퓨팅 전문성을 활용하여 와트당 더 많은 작업을 수행하고, 연결성을 높이면서 탄소 소비를 줄이는 독특한 기회를 제공하고자 합니다.