Chapter     2-1
초저전력 인텔리전트 엣지
지능형반도체

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이재진  ||  한국전자통신연구원 책임연구원


I. 결과물 개요

개발목표 시기 2021. 12. 기술성숙도 (TRL) 개발 전 개발 후
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결과물 형태 HW-IP, HW-Chip, HW-Module 검증방법 자체검증, 3자검증, 시험인증, 품질보증
Keywords 인텔리전트 엣지, 지능형반도체, 경량 RISC-V, 경량 인공지능 Intelligent Edge, Intelligent SoC, Lightweight RISC-V, Lightweight Artificial Intelligence
외부기술 요소 100% 개발기술 권리성 특허, HW-IP, 설계도

 

*   본 내용은 이재진 책임연구원(☎ 042-860-1712, ceicarus@etri.re.kr)에게 문의하시기 바랍니다

**   본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

***   정보통신기획평가원은 현재 개발 진행 및 완료 예정인 ICT R&D 성과 결과물을 과제 종료 이전에 공개하는 “ICT R&D 사업화를 위한 기술예고”를 2014년부터 실시하고 있는
  바, 본 칼럼에서는 이를 통해 공개한 결과물의 기술이 전, 사업화 등 기술 활용도 제고를 위해 매주 1~2건의 관련 기술을 소개함



II. 기술의 개념 및 내용

1. 초저전력 인텔리전트 엣지 지능형반도체 기술

500억 개 이상의 IoT 디바이스에 적용 가능하고, 90% 이상의 점유율로 시장을 독점중


[그림 6] 디지털 트윈 3단계 구현 레벨


인 외산 프로세서 코어를 대체할 수 있는 클라우드 연계 진화형 초저전력 인텔리전트 엣지 지능형반도체 기술
- 사물데이터 수집을 위한 초저전력 프로세서 기술
- 지능적으로 사물데이터를 선별하기 위한 초저전력 경량 인공지능 코어 기술

 


III. 국내외 기술 동향 및 경쟁력

1. 기술의 특성 및 성능

사물데이터 수집을 위한 uW/MHz급 세계 최고 수준 초저전력 엣지 프로세서 기술 개발
- ETRI에서 보유한 세계 최고 수준 NZV(Near-Zero-Voltage) 초저전력 설계 원천 기술과 세계 주요기업이 후원하고 ARM 대체가 예상되는 오픈코어인
  RISC-V를 기반으로 세계 최고 수준 uW/MHz급의 인텔리전트 엣지용 초저전력 프로세서를 개발
지능적으로 사물데이터를 선별하기 위한 pW/SOPS급 세계 최고 수준 초저전력 경량 인공지능 코어 기술 개발
경량형 디바이스용 초경량 프레임워크 실행파일 크기: 10kbyte 이하
- ETRI에서 보유한 ULP-NoC(Ultra Low Power- Network-on-Chip) 기술을 활용 한 초저전력 인터커넥션 설계 기술과 인간 뇌의 스파이크
  메커니즘을 모사한 초저전력 아날로그 인공지능 셀 설계를 기반으로 pW/SOPS급 세계 최고 수준의 초저전력 경량 인공지능 코어를 개발

2. 경쟁기술/대체기술 동향 및 현황

국내 지능형반도체 산업은 초저전력 프로세서 코어 핵심 기반기술의 부재로 ARM 코어 기반 외산 SoC를 이용하여 IoT/웨어러블 모듈 및 IoT 게이트웨이 등 제한된 영역에서 제품화를 시도하고 있음
IoT 프로세서 시장에서 ARM 코어는 90% 이상의 점유율로 시장을 독점하고 있는데, 국내에서만 2,000억 원/년의 로열티를 지불하고 있는 실정이며, 로열티 비용 절감을 위해 ARM의 IoT 코어를 대체할 수 있는 오픈코어(RISC-V) 기반 초저전력 프로세서 기술 개발 및 국산화가 필요
인텔리전트 엣지 적용 가능 IoT용 경량 AP시장은 ARM Cortex M4급에 센서와 근거 리 모듈 및 특수 기능이 통합된 SoC 시장으로 TI, NXP, ST 등에서 ‘AP Lite’로 시장분 류 및 확대되고 있는 추세임
RISC-V는 미국 버클리대가 개발한 프로세서 아키텍처로, 2015년 하반기에 구글, HP, IBM, 마이크로소프트, 오라클, 엔비디아, 퀄컴 등이 연합하여 RISC-V 재단을 설립하 고 ISA와 컴파일러 등 SW 개발 환경을 무료로 오픈하였으며, 엔비디아는 GPU에 붙는 메모리 컨트롤러, 퀄컴은 IoT용 경량 프로세서를 각각 독자 기술로 만들기 위해 RISC -V를 활용하고 있음
ARM사는 모바일 프로세서, 그래픽 프로세서, 온칩 인프라스트럭처 등 반도체 핵심 지적재산의 적극적인 개발 및 대기업 지원에 의해 시장을 주도

3. 우수성 및 차별성

경쟁기술 본 기술의 우수성/차별성
- (ARM Cortex-M4) 90% 이상의 점유율로 IoT용 시장 을 독점하고
  있는 세계최고 수준인 ARM Cortex-M4 프로세서 코어의 소비전력은
   1.65mW임
- (스위스 Inilabs) 최근 뉴런의 아날로그화를 통하여 스파 이크 모사
   인공지능 코어를 구현한 ‘DYNAP’를 발표하 였음. 아날로그 뉴런이
   적용된 인공지능 코어의 소비전 력과 면적은 0.945mW, 43.8mm2
   로 현재 최고 수준임
- 초저전력 엣지 프로세서는 NZV 초저전력 원천기술을 적용하여 현재
   세계 최고 수준인 ARM Cortex-M4 프로세서 코어의 소비전력인
   1.65mW 대비 40% 수준인 0.65mW를 목표로 함
- 초저전력 경량 인공지능 코어는 NZV 초저전력 설계기술과 저전력
   뉴럴셀 인터컨넥션 기술을 적용하여 현재 세계 최고 수준 인 스위스
   Inilabs사의 인공지능 코어의 소모전력인 0.945mW 대비 50%
   수준인 0.5mW를 목표로 함


4. 표준화 동향

(TTA) ICT 융합디바이스반도체 PG에서 지능형반도체 및 지능형배터리 관련 주요 국 내 표준들을 개발 중에 있음

 

인텔리전트 엣지 개방형 플랫폼 기술 관련해서는 ITU-T, ISO/IEC에서 관련 표준 개발 이 활발히 이루어지고 있으며, 글로벌 표준기구인 IETF, IEEE, OGC, OMA, ETSI, oneM2M 등에서도 관련 표준들이 활발히 개발되고 있음
지능형반도체 관련 국제 표준화는 ISO/IEC/IEEE, OCP 등에서 관련 표준화를 진행중임


 


IV. 국내외 시장 동향 및 전망

1. 국내 시장 동향 및 전망

인텔리전트 엣지 적용 가능 IoT 산업은 IT 산업에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야로 반도체 시장규모는 2020년까지 4배 이상 연평균 40% 이상 고속 성장할 것으로 예측
경량 인공지능을 포함한 세계 인공지능 시장의 대부분은 제품시장이며 시장규모는 2015년 약 1,270억 달러에서 2017년 약 1,650억 달러로 연평균 14.0%의 고성장을 지속할 것으로 전망
2020년 클라우드 트래픽은 약 14 제타바이트에 이를 것으로 전망되며, 일부 제조업계 에서는 클라우드 트래픽, 보안 문제 해결 및 지연을 최소화하기 위한 엣지 프로세싱 기술도입을 고려하고 있음
4차 산업혁명에 따른 IoT 관련 빅데이터 및 인공지능 산업 활성화로 향후 100조 개의 스마트 센서가 사용될 것으로 예측되며, 스마트 센서는 의미있는 데이터만을 선별하여 클라우드로 전송하는 인텔리전트 엣지 형태로 진화할 것으로 전망

2. 제품화 및 활용 분야

활용 분야(제품 / 서비스) 제품 및 활용 분야 세부내용
지능형반도체 - 초저전력 프로세서를 필요로 하는 모든 응용 분야(예; IoT, 웨어러블, 임플란터블, IoNT, IoBNT 등)
- 초저전력 경량 인공지능 서비스를 기반으로 새로운 부가가치를 창출하고자 하는 모든 응 용 분야(예; IoT, 웨어러블, 모바일 등)
사물인터넷(IoT) - 일상생활에서 널리 사용되고 있는 기존 IoT 응용 분야(예; 스마트폰, 스마트워치, 스마트 가전, 스마트카 등)
- 데이터 지연 최소화, 설비운영의 효율화, 비용절감을 필요로 하는 산업 분야(예; 운송, 제 조, 소비재, 석유, 가스, 화학, 플랜트 등)
환경/공공산업 - 전력 공급이 제한적이고, 배터리 교체 및 유지보수가 어려운 극한 환경 및 접근이 어려운 시설물 등 공공 응용 분야(예; 심해, 원전, 유독가스 시설물, 교량, 댐, 터널 등

 


V. 기대효과

1. 기술도입으로 인한 경제적 효과

ARM의 IoT 코어를 대체할 수 있는 오픈코어(RISC-V) 기반 초저전력 프로세서 기술 개발 및 국산화로 2,000억 원/년의 로열티 비용 감소는 물론 다품종 소량생산의 SoC 를 개발하고자하는 국내 팹리스 업체의 가격 경쟁력 제고에 크게 기여할 것으로 예상
경량 인공지능 코어 기술은 인텔리전트 IoT 디바이스에 인공지능 기능을 부여함으로써 4차 산업혁명을 필두로 하는 신서비스를 사회 보편적으로 확산시키고, 더 나아가 정체 되어 있는 국내 반도체 산업의 재도약에 크게 기여할 것으로 기대됨

2. 기술사업화로 인한 파급효과

4차 산업혁명 시대가 도래함에 따라 인공지능, IoT 등을 기반으로 하는 기술 혁신이 기업의 생존을 위한 핵심 요소로 부각되고 있으며, 클라우드에서 포화된 빅데이터 지 능 처리 능력을 엣지로 분산하여 처리하는 패러다임의 변화와 이에 요구되는 초저전력 프로세서, 경량 인공지능 코어에 대한 시장 재편성이 예상되는 바, 본 과제를 통한 인텔 리전트 엣지 지능형반도체 원천기술 확보로 IoT 제품의 차별성 및 기술 경쟁력 제고가 기대

* 본 자료는 공공누리 제2유형 이용조건에 따라 정보통신기획평가원의 자료를 활용하여 제작되었습니다.