올해는 프로그래밍 가능한 하드웨어라는 아이디어를 도입한 최초의 상업용 FPGA(Field-Programmable Gate Array)이 등장한 지 40주년이 되는 해다.

‘소프트웨어처럼 유연한 하드웨어’라는 목표를 바탕으로 탄생한 FPGA의 재프로그래밍 구조는 반도체 설계의 판도를 바웠다.

개발자들은 처음으로 직접 칩을 설계할 수 있었고, 개발 도중, 혹은 제조 후에 사양이나 요구 사항이 변경되더라도 칩의 기능을 재정의하여 새로운 작업을 수행할 수 있도록 조정할 수 있게 됐다.

이러한 유연성은 새로운 칩 설계를 더 빠르게 개발할 수 있도록 해 주면서 새로운 제품을 준비하는 시간을 단축해 주었고, 동시에 주문형 반도체인 ASIC를 대신하는 새로운 대안으로 자리를 잡았다.

FPGA가 업계에 미친 영향은 놀랍다.

FPGA는 10억 달러 이상의 거대한 산업을 이끌어냈다.

지난 40년간 우리는 30억개 이상의 FPGA와 적응형 SoC(FPGA 패브릭과 시스템 온 칩 및 기타 프로세싱 엔진을 결합한 장치)를 다양한 분야의 7,000곳 이상의 고객에게 출하했다.

실제로 우리는 지난 25년 연속으로 프로그래머블 로직 시장 점유율 1위를 차지했으며, 앞으로도 당사의 제품 포트폴리오 및 로드맵의 강점을 바탕으로 지속적인 시장 리더십을 꾸준히 유지할 수 있을 것이라고 바라보고 있다.

■ 혁신의 가속화

FPGA는 지금은 고인이 된 로스 프리먼(Ross Freeman) 자일링스(Xilinx, 현 AMD의 자회사)의 공동 창립자가 처음 발명했다.

그는 한 번 설계하면 기능이 고정되는 표준 ASIC 장치의 한계를 넘어 더 나은, 칩을 설계하는 과정에서 기술적으로나 비용적으로 더 나은 방법이 있을 것이라고 생각한 엔지니어이자 혁신가였다.

FPGA는 엔지니어가 칩의 설계를 언제든 변경할 수 있는 자유와 유연성을 제공하며, 단 하루 만에도 맞춤형 칩을 개발하고 설계할 수 있도록 해 주줬다.

또한 FPGA는 또한 전체 반도체 산업을 변화시킨 ‘팹리스(Fabless)’ 비즈니스 모델을 개척하는 데에도 도움이 됐다.

FPGA는 맞춤형 마스크 도구를 만들고, 일회석의 개발 비용이 반복되는 것을 줄이는 혁신으로 하드웨어 개발 과정의 혁신을 가속화했다.

이 접근 방식은 회사가 획기적인 하드웨어를 만들기 위해 파운드리를 소유할 필요가 없고, 중요한 것은 비전, 설계 기술, 그리고 FPGA라는 것을 증명했다.
 

세계 최초의 상업용 FPGA(XC2064)가 출시 이후 40년간 FPGA는 전자 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되면서 우리의 일상 생활에 깊숙이 자리를 잡았다.

오늘날 FPGA 및 적응형 SoC나 SOM(System-on-Module)을 비롯한 적응형 컴퓨팅 장치는 자동차, 기차, 신호등에서 로봇, 드론, 우주선, 위성, 무선 네트워크, 의료 및 테스트 장비, 스마트 공장, 데이터 센터, 심지어 고속 주식 거래 시스템에 이를 만큼 넓은 분야에서 활용되고 있다.
 

■ 주요 혁신, 그리고 제품들의 여정

AMD의 혁신과 진화하는 시장 요구는 지난 40년간 FPGA 기술 분야에서 다음과 같은 놀랄만한 발전을 수없이 이끌어냈다.

- 1985년: XC2064 - 최초의 상용 FPGA 출시
- 1990년대: XC4000 및 버텍스(Virtex™) FPGA - 무선 인프라를 위한 내장 RAM 및 DSP 최초 탑재
- 1999년: 스파르탄(Spartan) 제품군 출시 - 대량 생산 애플리케이션용으로 기존 ASIC을 대체할 수 있는 비용 효율적인 옵션 제공
- 2001년: SerDes를 통합한 최초의 FPGA 출시
- 2011년: 버텍스-7 2000T(Virtex-7 2000T) - 업계 최초로 칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트(Chip-on-Wafer-on-Substrate, CoWoS) 패키징 양산 적용. 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템의 기반이 된 첨단 2.5D 통합 기술을 개척했으며, 현재는 AI용 GPU 혁신을 견인하는 핵심 기술로 활용
- 2012년: 징크(Zynq) 제품군 - Arm CPU와 프로그래머블 로직을 결합한 최초의 적응형 SoC
- 2012년: 비바도 디자인 슈트(Vivado™ Design Suite) - 소프트웨어 개발자들이 FPGA 설계를 보다 쉽게 접근할 수 있도록 지원
- 2019년: 최초의 버설(Versal) 적응형 SoC 출시 - 전용 AI 엔진과 프로그래머블 온칩 네트워크(NOC) 도입
- 2019년: 비티스(Vitis™) 통합 소프트웨어 플랫폼 - 추론 속도를 높이기 위한 사전 최적화된 AI 툴과 추상화 계층 제공
- 2024년: 버설 AI 엣지 시리즈 2세대(Versal AI Edge Series Gen 2) - 프로그래머블 로직, CPU, DSP, AI 엔진을 단일 칩에 통합하여 최초의 엔드투엔드 AI 가속 지원. 이종 컴퓨팅, 저지연, 저전력 성능을 요구하는 차세대 애플리케이션을 지원
- 2024년: 스파르탄 울트라스케일 플러스(Spartan UltraScale+) FPGA 제품군 출시 - 비용 및 전력 효율이 뛰어난 성능을 제공하며, 엣지의 I/O 집약형 애플리케이션에 적합한 광범위한 비용 최적화 FPGA 및 적응형 SoC 포트폴리오 확대

비바도와 비티스 소프트웨어의 도입은 FPGA 시장 확대에 중요한 기여를 했다. 비바도는 고수준 합성, 머신러닝 기반 최적화, IP 코어 통합 기능 등을 통해 워크플로우 간소화, 개발 주기 단축, 성능 향상 등을 가능하게 한다.

비티스 개발 환경은 사전 최적화된 툴과 추상화 계층을 통해 AI 추론을 가속화할 수 있도록 지원한다.

최신 버전(2024.2)에서는 임베디드 C/C++ 설계를 위한 독립 실행형 툴과 AMD 버설 적응형 SoC의 AI 엔진 사용을 간소화하는 기능이 추가됐다.

AMD는 사용자 생산성을 높이고 새로운 데이터 유형 및 AI 모델에 효율적으로 대응할 수 있도록 관련 툴에 대한 투자를 지속하고 있다.
 

■ 엣지에서의 AI

오늘날 대부분의 AI는 데이터 센터 GPU에서 실행되고 있다.

하지만 점점 더 많은 AI 처리가 엣지에서 이뤄지고 있다.

FPGA 기술은 다양한 산업 전반에서 AI가 통합된 애플리케이션의 급속한 성장을 최전선에서 지원하고 있다.

FPGA와 적응형 SoC는 센서 데이터를 지연 없이 실시간 처리하면서 엣지에서 AI 추론을 가속하고 있다.

최근 소형 생성형 AI 모델이 등장하면서, 우리는 엣지에서도 새로운 ‘챗GPT(ChatGPT)의 순간’을 목격하게 될 것이다.

이러한 새로운 AI 모델들은 AI PC, 차량, 공장 로봇, 우주를 비롯한 그 어떤 임베디드 애플리케이션까지 모두 엣지 장치 상에서 실행될 수 있다.

다음은 AMD의 적응형 컴퓨팅 기술이 오늘날 엣지 AI 워크로드를 가능하게 하는 몇 가지 예다.

- 나사(NASA) - AMD 버텍스 FPGA는 나사의 화성 로버에 탑재되어 AI의 기능을 확장시켰다. 이미지 탐지, 정합과 보정을 지원하고, 지구로 다시 전송하기 전에 쓸모없는 데이터를 걸러내기도 한다. 또한 최신 우주 등급 버설 AI 엣지 적응형 SoC는 머신러닝 애플리케이션에 최적화된 향상된 AI 엔진으로 우주에서도 AI 추론을 가속한다.

- 스바루(Subaru) - 스바루는 차세대 ADAS인 ‘아이사이트(EyeSight)’ 운전자 보조 안전 시스템에 AI 기능을 도입하기 위해 AMD 2세대 버설 AI 엣지 시리즈 적응형 SoC를 선택했다.

- 씨크(SICK) - AMD 킨텍스 울트라스케일+(Kintex UltraScale+) FPGA 및 FINN 머신러닝 프레임워크는 빠르고 정확한 소포 검사를 통해 SICK의 공장 자동화를 이끌어 내고 있다.

- 래드멘티스(Radmantis) - AMD 크리아(Kria) 적응형 SOM 장치는 지속 가능한 양식업을 위해 실시간 AI 추론을 가능하게 한다.

- JR 규슈(JR Kyushu) - 일본 최대의 고속 열차 운영사 중 하나로, AMD 크리아 SOM 기반의 실시간 이미지 처리 기술을 AI 기반 선로 검사 시스템에 활용하고 있다.

- 클라리우스(Clarius) - AMD 징크 울트라스케일 적응형 SoC를 통해 휴대용 초음파 장치에서 AI가 관심 영역을 식별할 수 있도록 했다.

■ 미래에 대한 전망

미래를 내다보면, FPGA 기반 적응형 컴퓨팅은 자율 주행, 로봇 공학 및 산업 자동화, 6G 네트워크, 기후 변화, 신약 개발, 과학 연구 및 우주 탐사를 위한 엣지 AI 애플리케이션에서 지속적으로 혁신을 이끌어갈 것이다.

우리는 FPGA 40주년을 기념하면서, 이를 발명한 것을 매우 자랑스럽게 생각하며 이 기술이 어디까지 왔는지, 그리고 다음 40년 동안 얼마나 더 큰 영향력을 끼칠지에 대해 생각해 본다.

최첨단 및 시장 선도 제품을 개발자는 FPGA 기술을 계속 사용하여 혁신적인 칩을 설계하고, 하드웨어 기반 검증을 강화하며, 시장 출시 시간을 줄여 나가고 있다.

AMD는 다가올 미래에도 이 놀라운 기술의 발전을 계속 이끌어갈 것이다.