ICT 신기술 인공지능반도체의특허동향및시장트렌드 이인희박선미 * 한국특허전략개발원선임연구원한국특허전략개발원연구원 * I. 서론 인간은생각하는기계다 미국메사추세츠공대 (MIT) 교수인마빈민스키가 1974년 지적활동의프레임워크 (A framework for representing knowledge) 를발표하였으며, 이는현재의인공지능발전에지대한영향을끼친것으로평가되고있다. 그는이프레임워크를통해기계와인간의지능이같다면, 인간의뇌가기계와다르지않다고생각했으나아이러니하게도알파고와이세돌의바둑대결전인 2016년 1월 24일에세상을떠났다. 이제인공지능은스마트자동차, 지능형로봇, 착용형스마트기기등다양한분야에서일상생활에활용되고있으며, 인공지능반도체가이를가능하게하고있다. 인공지능학습추론을위해서는정보의실시간처리와안정적처리가필수적인데, 현재데이터센터가보유중인서버에인공지능반도체를탑재함으로써가능해진것이다. 최근인공지능기술을선점하기위해글로벌 ICT 기업들은인공지능반도체개발까지연구영역을넓혀자체적인 AI 생태계를구축하는등치열한경쟁을하고있다. 본고에서는인공지능의핵심이되는인공지능반도체기술의특허및시장트렌드를살펴보고자한다. II. 인공지능반도체시장트렌드및개발동향 1. 인공지능반도체의유형 인공지능반도체는대용량데이터를효율적으로처리하는데유리하도록발전해왔다. 기존반도 * 본내용은이인희선임연구원 (ihlee@kista.re.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 15
주간기술동향 2018. 11. 7. [ 진화단계 ] [ 특성비교 ] < 자료 > IITP, 반도체산업의차세대성장엔진 AI반도체동향과시사점, ICT Spot Issue 2018-01호, 2018. 1. [ 그림1] 인공지능반도체진화단계및특성비교체는상대적으로가격이싸고범용성이높았으나, 인공지능연산성능및소비전력효율이낮아시장의흐름에부합할수없었다. 그리하여인공지능연산성능및소비전력효율이높은 1세대인공지능반도체가등장하였으나가격이비싸고범용성이낮다는단점이있었다. 인공지능이 IoT, 지능형로봇, 스마트자동차등다양한분야에요구되면서인공지능반도체역시인간뇌를모방한비폰노이만 (Non Von-Neumann) 방식인뉴로모픽반도체가등장하였다. 현재 IBM, 인텔, QUALCOMM 등해외기업뿐아니라삼성전자, SK하이닉스등국내기업에의한기술개발역시확대되고있는추세이다. 2. 인공지능반도체시장전망 인공지능반도체는초기시장에서학습용 서버용시장의비중이상대적으로높았으나, 시간이지남에따라추론용 에지용시장비중이증가하는추세를보일것으로전망되고있다. ICT 분야리서치기업인가트너는시장초기에데이터센터서버용으로사용되던인공지능반도체가점차에지디바이스용 ( 자율주행차, IoT 등 ) 으로시장이옮겨갈것으로예상하였으며, J.P 모건은학습용시장이점진적으로추론용시장에자리를내줄것으로예측하고있다. 따라서인공지능반도체는성장이둔화되고있는반도체산업에서새로운성장동력이될것으로기대되고있으며, 그시장규모가 2021년약 300억달러에이를전망이다. 이는전체반도체시장의약 6% 에해당하는것이며, 기타주요반도체로는낸드플래시가 745억달러, 마이크로프로세서가 485억달러, D램이 457억달러로예측되고있다. 16 www.iitp.kr
ICT 신기술 < 자료 > IITP, 반도체산업의차세대성장엔진 AI 반도체동향과시사점, ICT Spot Issue 2018-01 호, 2018. 1. [ 그림 2] 용도별세계인공지능반도체시장전망 3. 인공지능반도체개발동향 글로벌 ICT 기업들의인공지능기술주도권을위한경쟁은현재반도체칩자체개발경쟁으로까지이어지고있다. 이는반도체기업에대한의존도를낮추고비용을줄여독자적인 AI 생태계구축을위한것이다. 또한, 현재메모리반도체는삼성전자, SK하이닉스, 도시바등이독점하고있으나, 아직초기단계인인공지능반도체의경우에는시장선점을통해막대한이익을거둘수있다는기대감이 AI 반도체개발을부추기고있다. Intel은인간의뇌신경망의정보처리방식을모방한뉴로모픽칩인로이히 (Loihi) 를개발하였으며, AI 분야스타트업인너바나시스템스를인수 (2016.8.) 한후, 인공지능전용프로세서 Nervana NNP를공식발표하였다 (2017.10.). 세계 AI 칩시장을독점하다시피하고있는 NVIDIA의경우대량의산술연산을기반으로딥러닝처리가가능한그래픽처리장치 (GPU) 를개발, 수요가급증하였는데, 이는게임, e-스포츠, 자율주행차등의분야에서이용되고있다. 앞서말한바와같이, 거대 ICT 기업들은인텔, NVIDIA, 퀄컴등기존업체에대한의존도를낮추며자체개발을통해관련제품개발의보안을강화하고각소프트웨어에최적화된기술생태계를조성하고있다. Google은 2016년자체개발한데이터분석 / 딥러닝용반도체인 TPU(Tensor Processing 정보통신기술진흥센터 17
주간기술동향 2018. 11. 7. [ 그림 3] 인공지능반도체연구개발현황 Unit) 를데이터서버에본격적용하였으며, Facebook은인공지능반도체개발을위한별도의조직을구성하였으며, 이를통해데이터서버관리, 스마트스피커, VR헤드셋제어기술확보를목표로하고있다. 또한, 중국기업인 HUAWEI는세계최초 5G 통신이가능한인공지능반도체 Kirin 1020을 2019년 3월에출시하고 5G를지원하는스마트폰을출시할계획이다. Microsoft는 2017년모바일용 ASIC 칩 HPU(Holographic Processing Unit) 를개발하여 MR(Mixed Reality) 헤드셋인홀로렌즈에탑재하였다. SK하이닉스는 2016년스탠퍼드대학교와강유전체물질을활용한 인공신경망반도체소자공동연구개발 협약을체결하여 AI 반도체개발을겨냥하고있으며, 삼성전자는 2017년말에인공지능기능을탑재한모바일칩셋 엑시노스9 의양산을시작하였다. 이와같이글로벌 ICT 기업들이자체반도체개발과자체상품화를통해기존반도체기업에대한의존도를낮추려고하고있으며 AI 반도체시장선점을위해부단히노력하고있다. 18 www.iitp.kr
ICT 신기술 Ⅲ. 인공지능반도체특허동향 1. 특허분석개요 본장에서는과거전문가들의직관이나경험에만의존하여기술동향을보는것이아닌, 정형화된 데이터를활용하여좀더객관적인시각으로인공지능반도체기술의트렌드를보고자한다. [ 표 1] 인공지능반도체의제품별분류 구분핵심제품제품정의 메모리반도체 비메모리반도체 인공지능메모리반도체기계학습용비메모리반도체뉴로모픽용비메모리반도체추론기술용비메모리반도체 SSD 등메모리와 PU Controller 가융합된독립적인기능을하는메모리반도체 기계학습용알고리즘구동을위한고성능고용량의반도체기술로알파고 (AlphaGO) 의딥러닝과같은기계학습에사용되며인공신경망의병렬화에의한초고속학습을목적으로하는반도체 컴퓨터나스마트폰에쓰이는컴퓨터칩과는달리하드웨어적으로사람의뇌신경을모방한차세대 AI 반도체로뇌기능을모사할수있는고속컴퓨팅기술을비롯하여적응형 / 학습형능력을부여함으로써최적화된방식을스스로탐구하는상용수준의컴퓨팅환경구현을위한반도체 텍스트, 이미지등으로주어지는정보중질문과연관성이있는정보만을선별적으로인지하고정보의문맥적의미를유추하여문제를해결하거나판단하는추론기술의구현을위한인공지능반도체 기타비메모리반도체 퍼지알고리즘용비메모리반도체, 유전알고리즘용비메모리반도체관련기술을포함하는기타인공지능반도체 특허동향분석을위해인공지능반도체에대해하위분류, 핵심제품으로구분하였으며, 특허분석은각제품에대해특허출원규모및성장률을분석하고주요출원인의기술을분석하였다. 특허검색대상지역은한국 (KR), 미국 (US), 일본 (JP), 유럽 (EP) 특허청을대상으로하였으며, 특허검색기간은 2005년 1월 1일부터 2018년 3월 31일까지출원및공개된특허를대상으로하였다. 출원후공개까지 1년 6개월이걸리는특허제도의특성상, 2016년 10월이후에는미공개특허가있음을밝혀두고자한다. 2. 세계특허규모및성장률 2016 년기준세계인공지능반도체특허규모는약 556 건으로전년대비 55.3% 증가하였으며 정보통신기술진흥센터 19
주간기술동향 2018. 11. 7. 제품별로는뉴로모픽용비메모리반도체가전체인공지능반도체출원특허규모의 43.0% 를차지 하였다. 뉴로모픽용비메모리반도체는인공지능알고리즘구현에적합한인간두뇌신경모방형 프로세서로다양한글로벌기업에서지속적으로 R&D 를진행중이다. [ 표 2] 연도별및주요제품별출원특허수 [ 연도별출원특허수 ] 연도 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 특허수 44 55 61 76 62 79 128 205 157 270 358 556 272 - 미공개구간 [ 주요제품별출원특허수 ] 순위 주요제품명 특허수 1 뉴로모픽용비메모리반도체 1,088 2 기계학습용비메모리반도체 676 3 추론기술용비메모리반도체 392 4 인공지능메모리반도체 375 총계 2,531 3. 국내특허규모및성장률 2016 년기준국내인공지능반도체의특허규모는국내전체반도체산업의특허출원 22,365 건 [ 그림 4] 연도별인공지능반도체국내특허출원수 [ 그림 5] 전체반도체대비인공지능반도체특허출원비율비교 20 www.iitp.kr
ICT 신기술 중, 106 건으로전년대비 2.5 배증가하였으나비중은아직 1.2% 에불과하다. 전세계반도체특허 에서인공지능반도체특허가 2.9% 비율을차지하는것에비해우리나라는인공지능반도체기반이 취약하다고볼수있다. 4. 특허로본앞으로의전망 인공지능반도체는성장기에있는기술로써, 세계특허출원증가율이점차급격해지며 2035년까지연평균 8.36% 로성장할전망이다. 주된성장요인은인공지능, 사물인터넷 (IoT) 통신기기의확산이며, 특히사물인터넷제품의확산에따라특히뉴로모픽용비메모리반도체의성장률이높을것으로전망된다. [ 그림 6] 인공지능반도체성장주기곡선예측 [ 표 3] 연도별인공지능반도체출원건수 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 CAGR 뉴로모픽용비메모리반도체 14 28 21 36 18 28 76 99 69 132 165 273 31.0% 기계학습용비메모리반도체 12 25 21 18 16 19 26 54 37 68 126 165 26.9% 추론기술용비메모리반도체 6 5 13 14 15 29 27 40 31 53 57 67 24.5% 인공지능메모리반도체 16 17 15 14 20 8 13 22 38 39 32 82 16.0% 정보통신기술진흥센터 21
주간기술동향 2018. 11. 7. [ 그림 7] 주요제품별출원특허비율비교 Ⅳ. 주요출원인기술분석 1. 인공지능반도체제품별주요출원인현황 인공지능반도체출원건수기준상위 5 개출원인을주요출원인으로보고이들이시장에내놓은 [ 그림 8] 인공지능반도체제품별주요출원인현황 22 www.iitp.kr
ICT 신기술 기술들을특허를통해분석하였다. 뉴로모픽용비메모리반도체는 IBM, QUALCOMM, GOOGLE, NUMENTA, SK하이닉스, 기계학습용비메모리반도체는 QUALCOMM, IBM, GOOGLE, MICROSOFT, SONY, 추론기술용비메모리반도체는 GOOGLE, IBM, MICROSOFT, NEC CORPORATION, SONY, 인공지능메모리반도체는 INTEL, MICROSOFT, IBM, 삼성전자, HUAWEI가각제품별주요출원인으로나타났다. 특히, IBM은 4가지인공지능반도체제품별주요출원인에모두포함되어있으며글로벌 ICT 공룡기업들이다수포진되어있음을알수있다. 2. 뉴로모픽용비메모리반도체 _IBM IBM은 2014년에미국방위고등연구계획국 (DARPA) 의지능형컴퓨터개발과제에참여하여양산가능한뉴로모픽칩인트루노스 (TrueNorth) 를개발하였다. 트루노스칩은 S램기술을활용하여인간의뇌를모방하며, 프로세서 ( 뉴런 ) 와메모리 ( 시냅스 ) 를포함하는통합형구조로병렬프로세싱을가능하게한다. 매니코어기반의연산처리장치가 4,069개탑재됨에따라각장치는 256개의인공뉴론 (256개의시냅스 ) 을포함하여약 2.6억개의인공신경세포 ( 두뇌의약 0.2%) 의구현이가능하다. [ 그림 9] IBM의인공지능반도체기술의주요특허 2016년 IBM은트루노스를기반으로하는수퍼컴퓨터 NS16e를생산하였다. NS16e는 16개의트루노스칩을탑재하고있으며, 이를통해 1,600만개의뉴런과 40억개의시냅스를구현할수있다. IBM은 2017년에 NS16e를병렬연결하여 6,400만개의뉴런과 160억개의시냅스를구현한 NS16e-4를공개하였다. 정보통신기술진흥센터 23
주간기술동향 2018. 11. 7. 3. 기계학습용비메모리반도체 _QUALCOMM 2013년 QUALCOMM은세계최초로시냅스연결강도를조절하는뇌처럼학습하는프로세서 (Neural Processing Unit, NPU) 인제로스 (Zeroth) 를개발하였다. 제로스는인간의학습기제를모방하는강화학습 (reinforcement learning) 의구현을가능하게하는기술로이를시연하기위해 QUALCOMM은제로스를탑재한로봇제어영상을함께공개하였다. QUALCOMM은스마트폰시장을타겟으로한 SoC 스냅드래곤 을출시하였다. 스냅드래곤은기계학습명령을처리하는저전력디지털신호프로세서 (DSP) 를내장하였으며, 스냅드래곤 855 칩셋은갤럭시S10을시작으로안드로이드스마트폰의핵심프로세서가될것으로주목받고있다. [ 그림 10] QUALCOMM 의인공지능반도체기술의주요특허 4. 추론기술용비메모리반도체 _Microsoft Microsoft는 2015년 1월에음성인식기술을이용한개인용비서소프트웨어코타나 (Cortana) 를윈도10(Windows 10) 에탑재하였다. 코타나는평온, 황당, 요구등총 18가지감정을표현할수있으며사람과흡사한수준의대화가가능하다. Microsoft는자사의클라우드엔진인애저 (Azure) 가보유한대량의음성인식데이터를코타나에적용하여기능을발전시키고있다. 2017년 Microsoft는캐나다의인공지능스타트업말루바 (Maluuba) 를인수하였다. 말루바는 CNN 뉴스를대상으로다수의문장에서정답을합성해야하는문제, 질문과정답문장간의패러프레이징 (Parapharasing) 을이해해야정답을추론할수있는보다난이도가높은데이터셋을구축하는등의자연어이해를위한딥러닝연구를지속해왔다. 따라서 MS는이번인수를통해자사의언어이해및의사소통관련기술력을크게향상시킬수있으며 AI비서코타나의성능강화에주력할것으로전망된다. 24 www.iitp.kr
ICT 신기술 [ 그림 11] MS 의인공지능반도체기술의주요특허 5. 인공지능메모리반도체 _ 삼성전자 2018년삼성전자는차세대 5G 스마트폰과모바일인공지능시장을주도할 10나노급 8GB LPDDR5 D램 을세계최초로개발하였다. 이는플래그십스마트폰에탑재된모바일 D램 (LPDDR4X, 4,266Mb/s) 보다 1.5배빠른 6,400Mb/s의동작속도를제공하며이를통해 5G모바일, 오토모티브시장등을공략할계획이다. 또한, 같은해 1월에 2세대 8GB HBM2 D램 을본격양산하였다. 2세대 8GB HBM2 D램은하나의버퍼칩위에 8GB HBM2 D램 (20나노공정기반 ) 8개를쌓아올린구조이며, 전송량이세계최대이다. 이를통해인공지능서비스에활용되는슈퍼컴퓨터용메모리, 하이엔드그래픽카드및네트워크시장등을대상으로프리미엄 D램의공급확대를진행하고있다. [ 그림 12] 삼성전자의인공지능반도체기술의주요특허 정보통신기술진흥센터 25
주간기술동향 2018. 11. 7. Ⅴ. 결론및시사점 최근개봉한영화업그레이드는교통사고로반신불구가된남자에게인공지능칩을이식하여걷고뛰고운동하는등불가능을가능으로만드는기적을소재로삼았다. 인공지능반도체의발전은이를현실화하여, 미래에는뉴로모픽칩이식을통해기억저장을유도할수있는신경신호를생성하여치매로기억력을잃은환자또는사고로시력을잃은환자들이회복하는데활용이가능할것이다. 현재인공지능반도체기술은 ICT 분야를포함한자동차 에너지 환경등다양한분야에서적용되고있다. 특히, 5G 이동통신의 AP, 저전력칩, RF칩, 착용형스마트기기의음성인식칩, 저전력칩, 소형화칩, 맞춤형웰니스케어를위한바이오피드백칩등의필수적인요소로서 4차산업혁명의핵심기술이될것으로기대되고있다. 인공지능반도체에대한기술수요가증가하고있고시장이확대됨에따라기존의메모리반도체산업에도분명변화의기조가감지되고있다. 과거메모리반도체시장이상대적으로간단했던반도체구조를기반으로소품종을대량생산하여표준제품중심으로범용 양산했던시장이었던반면, 인공지능반도체는분야별로특화되고다품종을소량생산하는방식이어서세계반도체산업에변화의바람이불고있다. 우리나라는현재반도체산업에서세계상위권에위치하고있으나, 특허관점으로보았을때, 인공지능반도체산업에서는 ICT 글로벌기업들에비해뒤처지고있음을알수있다. 변화하는산업의요구에부응하여인공지능반도체산업에서도경쟁력을유지하기위해관련기관과학계에지원을통한연구가필요하다. [ 참고문헌 ] [1] IITP, 반도체산업의차세대성장엔진 AI 반도체동향과시사점, ICT Spot Issue 2018-01호, 2018. 1. [2] Gartner, Hype Cycle for Artificial Intelligence, 2017, 2017.1.24. [3] MIT Technology Review, China wants to make the chip that will add AI to any gadget, 2018. 1. [4] Gartner, Froecast; AI Neural Network Processing Semiconductor Revenue, Worldwide, 2018, 2018. 1. 26 www.iitp.kr