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KAIST 연구팀,고용량·고성능 AI 가속기 개발국내 연구팀이 현재 인공지능(AI) 가속기 시장을 독점하고 있는 엔비디아(NVIDIA)에 맞설 수 있는 차세대 인터페이스 기술이 활성화된 고용량·고성능 AI 가속기를 개발했다.

최근 대규모 AI 서비스 제공 최전선에 있는 빅테크들은 더 좋은 성능을 사용자들에게 제공하기 위해 경쟁적으로 모델과 데이터의 크기를 증가시키는 추세이다.최신 대규모 언어모델은 학습을 위해 수에서 수십 테라바이트(TB,10의 12승 바이트)의 메모리를 요구한다.

한국과학기술원(KAIST,에어맨총장 이광형)은 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 메모리 시스템 연구실)이 차세대 인터페이스 기술인 CXL(Compute Express Link)이 활성화된 고용량 GPU 장치의 메모리 읽기/쓰기 성능을 최적화하는 기술을 개발했다고 8일 발표했다.

CXL-GPU 대표 그림.[사진=KAIST]

최신 GPU의 내부 메모리 용량은 수십 기가바이트(GB,에어맨10의 9승 바이트)에 불과해 단일 GPU만으로는 모델을 추론‧학습하는 것이 불가능하다.대규모 AI 모델이 요구하는 메모리 용량을 제공하기 위해 업계에서는 일반적으로 GPU 여러 대를 연결하는 방식을 채택한다.

이 방법은 최신 GPU의 높은 가격으로 총소유비용(TCO,에어맨Total Cost of Ownership)을 지나치게 높이는 문제를 일으킨다.

차세대 연결 기술인 CXL(Compute Express Link)을 활용해 대용량 메모리를 GPU 장치에 직접 연결하는‘CXL-GPU’구조 기술이 다양한 산업계에서 활발히 검토되고 있다.

CXL을 통해 연결된 메모리 확장 장치들의 메모리 공간을 GPU 메모리 공간에 통합시킴으로써 고용량을 지원한다.CXL-GPU의 고용량 특징만으로는 실제 AI 서비스에 활용되기 어렵다 문제가 있다.

대규모 AI 서비스는 빠른 추론‧학습 성능을 요구하기 때문에 GPU에 직접적으로 연결된 메모리 확장 장치로의 메모리 읽기/성능이 기존 GPU의 로컬 메모리에 준하는 성능이 보장될 때 비로소 실제 서비스에 활용될 수 있다.

KAIST 연구팀은 CXL-GPU 장치의 메모리 읽기/쓰기 성능이 떨어지는 원인을 분석해 이를 개선하는 기술을 개발했다.메모리 확장 장치가 메모리 쓰기 타이밍을 스스로 결정할 수 있는 기술을 개발,에어맨GPU 장치가 메모리 확장 장치에 메모리 쓰기를 요청하면서 동시에 GPU 로컬 메모리에도 쓰기를 수행하도록 설계했다.

메모리 확장 장치가 내부 작업을 수행 상태에 따라 작업을 하도록 해 GPU는 메모리 쓰기 작업의 완료 여부가 확인될 때까지 기다릴 필요가 없어 쓰기 성능 저하 문제를 해결할 수 있도록 했다.

연구팀은 메모리 확장 장치가 사전에 메모리 읽기를 수행할 수 있도록 GPU 장치 측에서 미리 힌트를 주는 기술을 개발했다.이 기술을 활용하면 메모리 확장 장치가 메모리 읽기를 더 빨리 시작한다.

GPU 장치가 실제 데이터를 필요로 할 때는 캐시(작은데 빠른 임시 데이터 저장공간)에서 데이터를 읽어 더욱 빠른 메모리 읽기 성능을 달성할 수 있다.

이번 연구는 반도체 팹리스 스타트업인 파네시아(Panmnesia)의 초고속 CXL 컨트롤러와 CXL-GPU 프로토타입을 활용해 진행됐다.파네시아는 업계 최초로 CXL 메모리 관리 동작에 필요한 왕복 지연시간을 두 자리 나노초(nanosecond,에어맨10의 9승의 1초) 이하로 줄인 순수 국내기술의 자체 CXL 컨트롤러를 보유하고 있다.

연구팀은 파네시아의 CXL-GPU 프로토타입을 활용한 기술 실효성 검증을 통해 기존 GPU 메모리 확장 기술보다 2.36배 빠르게 AI 서비스를 실행할 수 있음을 확인했다.해당 연구는 조만간 열리는 산타클라라 USENIX 연합 학회와 핫스토리지의 연구 발표장에서 결과를 선보인다.

정명수 KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수는 “CXL-GPU의 시장 개화 시기를 가속해 대규모 AI 서비스를 운영하는 빅테크 기업의 메모리 확장 비용을 획기적으로 낮추는 데 이바지할 수 있을 것”이라고 말했다.

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