ARM, 무어의 법칙 종료? 문제없음

무어의 법칙, 그 종말과 새로운 도약

2019년 1월, CES 행사장에서 Nvidia의 CEO 젠슨 황은 기술 업계 종사자들이 이미 인지하고 받아들였던 사실을 공표했습니다. 바로 반도체 칩의 컴퓨팅 성능이 주기적으로 향상될 것이라는 무어의 법칙이 사실상 끝났다는 것입니다. 현재 상용화된 가장 작은 프로세서의 미세 공정 기술은 7나노미터(nm)에 불과합니다. 트랜지스터가 원자 규모에 가까워지면서 이를 더욱 축소하는 것은 점점 더 어려워지고 있습니다. 많은 전문가들은 현재 가장 발전된 트랜지스터 설계 방식인 FinFET이 5나노미터 이하로 내려가려면 근본적인 재고가 필요하며, 설령 가능하다 하더라도 막대한 비용이 발생할 수 있다고 보고 있습니다. 이는 무어의 법칙이 예측하는 24개월마다 트랜지스터 집적도를 두 배로 늘리는 것이 더욱 힘들어짐을 의미합니다.

무어의 법칙의 종말은 상당한 파장을 일으킬 수 있습니다. 성능 향상의 둔화는 일부 컴퓨팅 애플리케이션에 큰 타격을 줄 수 있기 때문입니다. 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 500대를 선정하는 로렌스 버클리 국립 연구소의 호스트 시몬 부소장은 연간 성능 증가율이 여전히 1.6배 수준으로 유의미하지만, 1990년대와 2000년대 초반 연간 2배 이상 향상되던 시기와 비교하면 현저히 감소했다고 지적합니다. 그는 "최첨단 분야에서 성능 향상 둔화가 관찰되고 있다"고 말합니다. 이러한 둔화는 천체 물리학부터 기후학에 이르기까지 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션에 의존하는 학문 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.

무어의 법칙을 더 이상 따르지 못하는 상황은 혁신적인 변화를 예고하는 것처럼 보일 수 있지만, 칩당 더 많은 트랜지스터를 집적하거나 스핀트로닉스와 같은 미래 기술을 수십 년간 기다리지 않고도 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 방법이 존재합니다. 이는 약간의 창의성만 있다면 가능합니다. 최첨단 칩 설계 분야에서 무어의 법칙은 끝났지만, 그 영향력은 여전히 남아 있습니다.

더욱 향상된 특화(Specialization)의 가능성

한 가지 유망한 전략은 바로 특화의 심화입니다. 지난 20년간 우리는 3D 컴퓨터 그래픽 및 기타 멀티스레드 작업의 계산을 처리하기 위해 GPU의 광범위한 채택을 보았습니다. GPU는 이러한 워크로드를 범용 CPU보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있기 때문입니다. 오늘날 기업들은 머신러닝, 보안, 암호화폐 등 다른 분야에도 특화된 칩, 즉 가속기(accelerators)의 적용을 확대하기 시작했습니다. 미시간 대학교 응용 구동 아키텍처 연구 센터의 발레리아 베르타코 소장은 우리가 이 추세의 "시작 단계에 있다"고 말합니다. 현재 우리는 5~6가지 종류의 특화된 프로세서를 가지고 있지만, 5~10년 후에는 100가지로 늘어날 수 있다고 그녀는 예측합니다. 이러한 세분화된 특화는 소셜 네트워크 분석에 필요한 복잡한 그래프 기반 연산과 같이 현재 하드웨어로는 어려운 애플리케이션을 처리할 수 있는 프로세서 개발의 잠재력을 열어줍니다.

실리콘 스케일링만이 유일한 해답은 아닙니다. 베르타코 소장은 "실리콘 스케일링이 저전력과 더 나은 성능을 얻는 유일한 방법은 아니다"라며, "단지 10년 전까지는 가장 쉬운 방법이었을 뿐"이라고 말합니다. 10년 후, 고급 컴퓨터를 구매하는 사람들은 GHz 단위의 전체 처리 능력보다는 포함된 특화 프로세서의 수에 더 주목할 수 있습니다. 향후 10년간 가장 눈에 띄는 성능 향상은 새로운 칩 설계에서 나오기보다는 이미 사용 가능한 기술을 활용하는 데서 올 수 있습니다. 사물 인터넷(IoT)이 가장 좋은 예입니다. IoT는 이미 10년 된 기술을 기반으로 상당 부분 발전해 왔습니다. IoT 애플리케이션은 센서 작동 및 주기적인 데이터 전송과 같이 비교적 간단한 컴퓨팅 작업을 수행하므로 높은 수준의 컴퓨팅 성능이 항상 필요한 것은 아닙니다. 결과적으로 IoT 기술의 구축 및 사용자들은 비용에 중점을 두는 경향이 있으며, 구형 기술은 항상 최신 기술보다 사용 비용이 저렴합니다. 이러한 자연스러운 발전 과정은 공장 바닥의 센서부터 알렉사 기능이 탑재된 토스터기까지, 무어의 법칙에 기반한 10년 간의 개선으로부터 여전히 혜택을 받을 수 있음을 의미합니다. 따라서 최첨단 칩 설계 분야에서 무어의 법칙은 끝났지만, 그 영향력은 여전히 남아 있습니다.

3D 스태킹(3D Stacking)이라는 해결책

트랜지스터 집적도를 높이지 않고도 기존 기술을 재구성함으로써 효율성을 더욱 높일 수 있습니다. 한 가지 설계 솔루션은 3D 구조로 전환하는 것입니다. 즉, 칩 내에서 프로세서를 나란히 배치하는 대신 서로 위에 쌓는 것입니다. 이를 통해 프로세서 간의 통신이 더욱 빠르고 효율적으로 이루어질 수 있습니다. 또한, 제조업체가 각 개별 프로세서를 플라스틱으로 포장할 필요가 없어 포장 비용도 절감됩니다. 이러한 솔루션과 창의적인 엔지니어들이 고안해낼 다른 방법들은 앞으로 10년 정도의 성능 성장을 이끌어내기에 충분할 것입니다.

하지만 장기적으로 볼 때, 무어의 법칙의 종료는 반도체 산업이 실리콘 자체를 넘어섰음을 신호할 수 있습니다. 실리콘보다 1,000배 이상 효율적으로 전자를 전도할 수 있는 질화갈륨(gallium nitride)과 같은 이국적인 소재가 가능한 미래 방향 중 하나입니다. 예를 들어, 스핀트로닉 장치는 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트와 같은 새로운 소재를 사용하여 칩 제작 방식에 대한 기존의 틀을 벗어나는 사고를 할 수 있습니다. 그러나 이러한 아직은 추측 단계에 있는 기술들의 상용화는 10년 이상 걸릴 것으로 예상됩니다. 이들의 개발은 기존 제조업체나 벤처 캐피털 회사가 아닌, DARPA와 같은 기관의 투자에 의해 주도될 것입니다. 현재 업계 플레이어들은 전체 칩 설계 및 제조 공정을 전면적으로 재부팅할 필요가 없는 단기적인 해결책에 집중하고 있습니다. 약간의 창의성과 노력을 통해 눈에 띄는 성능 향상을 지속적으로 창출할 수 있을 것입니다. 우리는 기존 설계를 재검토하고 더 많은 성능을 끌어낼 기회를 가지고 있습니다. 또한, 다음 단계의 개선을 넘어 "재평가, 재설계, 재활용"이라고 부를 수 있는 과정을 통해 앞으로 수십 년간 우리를 이끌어갈 새로운 소재와 공정의 가능성을 생각할 수 있습니다. 만약 우리가 이러한 모든 과정을 잘 수행한다면, 평균적인 소비자는 사랑하는 무어의 법칙이 역사 속으로 사라졌다는 사실을 거의 알아차리지 못할 수도 있습니다. 비록 당분간 많은 사람들이 이를 애도할지라도 말입니다.