AI 하드웨어, 연산에서 메모리로 권력이 이동 메모리 병목과 추론 시대의 해법(25.11.29)

Описание: AI 하드웨어 패러다임의 극적인 전환

AI 하드웨어 판도의 변화와 메모리 병목 현상

과거 AI 모델 개발에 유일한 왕으로 군림했던 연산 컴퓨테이션의 시대가 저물고, 메모리가 새로운 권력자로 부상하면서 AI 하드웨어의 판도가 근본적으로 뒤바뀌고 있습니다. AI의 무게 중심이 모델을 한 번 만드는 학습 단계에서 이제 수십억 명이 사용하는 추론(인퍼런스) 단계로 넘어가게 되면서, 데이터 센터의 설계 철학부터 투자 지형도까지 모든 것이 재편되고 있습니다.

이러한 거대한 패러다임 전환의 핵심에는 메모리 병목 현상이 존재합니다. AI가 다음 단어 하나를 예측하기 위해서는 모델의 전체 파라미터, 즉 수백 기가바이트의 데이터를 메모리에서 매번 통째로 읽어와야 하는 극심한 비효율성 때문에 이 병목이 발생합니다. 여기에 AI와의 대화가 길어지면 길어질수록 AI가 기억해야 할 내용(기가바이트급의 KV 캐시)이 눈덩이처럼 불어나게 되면서, 현재 최첨단 메모리인 HBM의 용량마저 물리적으로 완전히 포화 상태에 와 있습니다. 수백만 명의 사용자가 동시에 AI를 사용한다고 가정하면, HBM이 용량 장벽에 부딪히는 것은 시간 문제일 수밖에 없습니다.

계층형 메모리와 지능형 오프로딩

이러할 피할 수 없는 병목 현상을 해결하기 위한 해법으로 하드웨어의 한계를 넘어서는 계층형 메모리와 지능형 오프로딩이 등장합니다. 모든 데이터를 가장 비싸고 빠른 HBM에만 둘 이유가 사라진 것입니다. 특히 최신 AI 모델들은 전문가 혼합 구조(Mixture of Experts, MOE)를 채택하여 실제로는 전체 파라미터의 일부만 활성화시키기 때문에, 이 방식이 효율적입니다.

따라서 지금 당장 필요한 뜨거운(Hot) 데이터만 HBM에 두고, 덜 시급한 따뜻한(Warm) 데이터는 D램에, 그리고 거의 잘 안 쓸 것 같은 차가운(Cold) 데이터는 SSD에 내려놓는 방식으로 역할을 효율적으로 분담하는 것이 유일한 해법으로 부상하고 있습니다.

실현을 위한 핵심 기술과 산업계의 움직임

이러한 계층형 구조가 제대로 작동하게 되려면 소프트웨어가 부리는 마법, 즉 IO 연산 겹침 기술이 필수적입니다. 이 기술은 GPU가 현재 데이터를 계산하는 동안, 시스템이 다음 계산에 필요한 데이터를 하위 메모리에서 상위 메모리로 미리 가져오는 방식으로 작동합니다. 이를 통해 SSD의 필연적인 느린 속도를 효과적으로 숨겨 버릴 수 있습니다.

이것은 더 이상 이론이 아니며 이미 펼쳐지고 있는 현실입니다. 며칠 전 마이크로소프트는 차세대 AI 데이터 센터 프로젝트인 페어워터(Project Payowater)를 발표하며, 미식 축구장 다섯 개의 길이에 달하는 거대한 스토리지 건물을 별도로 짓고 있었습니다. 이 공간은 단순한 데이터 창고가 아니라, 수십만 GPU가 동시에 실시간으로 데이터 요청을 지연 없이 처리하기 위해서 AI 연산의 핵심 이론으로서 작동하는 거대한 메모리 풀로 기능합니다. 이는 메모리 반도체의 기존 위상과는 완전히 달라진 것입니다.

엔비디아의 차세대 칩인 루빈 CPX 역시 이러한 변화의 물리적인 증거입니다. 이 칩은 값비싼 HBM 대신 비용 효율적인 GDDR7을 탑재한 전용 GPU로 탄생했으며, 화웨이마저 완전히 같은 방향의 로드맵을 발표했다는 사실은 이러한 변화가 거스를 수 없는 대세임을 보여줍니다.

메모리 반도체의 위상 변화 및 투자 전망

우리는 AI가 촉발한 메모리 패러다임 전환의 아주 초기 국면에 있습니다. 이 거대한 구조적인 변화 속에서 투자의 지형도 역시 극적으로 재편될 것입니다. 가장 극적인 재평가는 낸드(NAND)와 디램(DRAM)에서 일어날 것으로 예상됩니다.

과거 콜드 데이터 창고 취급을 받던 낸드는 AI 연산의 일부를 담당하는 능동적인(액티브한) 스토리지로 격상되었습니다. 이는 단순히 저장 용량이 더 많이 팔리는 것을 넘어서, 더 높은 성능을 요구하는 고부가 가치 제품으로서 메모리 반도체의 입지가 바뀌었음을 의미합니다. HBM과 낸드는 서로 대체재가 아닌, 서로의 수요를 견인하는 강력한 보완재의 관계임이 명확해지고 있습니다.

또한, HBM의 그늘에 가려져 있던 일반 디램 역시 CXL이라고 불리는 기술과 맞물려서 데이터 센터 전체로 그 전략적 가치가 재조명될 것입니다.

이 모든 하드웨어 혁신을 완성하는 것은 결국 소프트웨어입니다. 엔비디아의 다이나모와 같이 하드웨어의 한계를 숨기는 정교한 소프트웨어 스택은 눈에 보이지는 않지만 가장 깊고 넓은 해자가 될 것으로 보입니다. 현재 메모리 반도체 시장의 공급 부족과 가격 상승 이야기는 이러한 거대한 변화의 시작을 알리는 신호탄에 불과할 수 있으며, 이 변화의 본질을 이해하는 이들만이 향후 펼쳐질 메모리 슈퍼사이클의 가장 큰 결실을 얻게 될 것입니다.