[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 반도체에서도 전자파가 나온다

기사입력 : 2019년10월28일 08:00

최종수정 : 2019년11월05일 13:57

[편집자] 4차 산업혁명은 모든 사물과 인간을 연결하여 빅데이터를 모으고, 이를 이용하여 인공지능으로 학습하여, 결국 인공지능이 인간을 대체하는 시대를 말한다. 이러한 4차 산업혁명의 물결이 산업뿐만 아니라 경제, 사회, 정치 등 전 분야에 걸쳐서 막대한 변화를 일으키고 있다.

글로벌뉴스통신사 뉴스핌은 '김정호의 4차혁명 오딧세이' 칼럼을 매주 연재하여 4차 산업혁명의 본질과 영향, 그리고 전망을 독자들에게 쉽게 소개하고자 한다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅으로 표현할 수 있으며 그 핵심 부품이 반도체이다. 이들 핵심 기술의 개념과 원리, 응용을 설명하여 일반 독자들이 4차 산업혁명에 대해서 공감하고 이해하며 더 나아가 개인과 기업, 국가의 미래를 계획하는 것을 돕고자 한다.

김정호 카이스트(KAIST) 전기 및 전자공학과 교수는 서울대 전기공학과를 졸업하고 미국 미시건대에서 박사 학위를 받았다. AI대학원 겸임교수, IEEE펠로우, 카이스트 ICT석좌교수, 한화 국방 인공지능 융합연구 센터장, 삼성전자 산학협력 센터장 등을 겸하고 있다.

치열한 중국의 추격

지난주 중국 저장성(浙江省)에 있는 저장대 국제 캠퍼스에서 'EMC COMPO 2019' 국제 학회가 열렸다. 학회에서의 주된 발표 내용은 반도체에 발생하는 전자파와 관련된 연구 결과의 학술적, 기술적 내용이다.

이를테면, 반도체에서 발생하는 전자파를 줄이는 방법, 차단하는 방법, 걸러내는 방법, 또는 외부에서 반도체로 공격하는 전자파를 막거나 완화하거나 피하는 방법들이다. 구체적으로는 설계 기술, 재료 기술, 모델링 기술, 측정 기술들이 포함된다.

김정호 교수

이러한 전자파 차단 또는 회피 기술은 전통적으로 자동차, 항공기, 군사 무기시스템, 인공위성 설계와 개발에 핵심적인 기술이다. 특히 전자파에 의한 자동차 급발진 문제와 같은 안전에 치명적인 문제들을 방지하고자 하는 기술이다. 주로 미국, 프랑스, 독일, 일본, 중국과 한국에서 연구한다.

EMC COMPO 학회는 약 20년 전에 프랑스 툴루즈(Toulouse)대학에서 시작했다. 프랑스 남부도시인 툴루즈에는 에어버스와 같은 항공기 회사를 비롯한 첨단 기술 회사뿐만 아니라, 군수 기업, 우주산업 기업들이 있다.

톨루즈 대학교수들은 유럽연합(EU)의 연구비 지원과 독일의 자동차 반도체 회사 인피니온 등의 도움을 받아 오랫동안 이 분야를 연구해 왔다. 이 연구 분야는 여기에 머물지 않고 4차 산업혁명 시대의 핵심 기기인 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능 서버 등으로 기술 적용 범위가 계속 확대되고 있다.

3년 전 중국 저장대 국제 캠퍼스를 방문했을 때, 학교는 논과 밭으로 덮여있었고 크레인만 보이고, 흙먼지 날리는 트럭만 보였다. 그 짧은 3년 만에 완전히 바뀌었다. 수만 평의 거대한 국제 캠퍼스를 설립했다. 멋진 강의실, 도서관, 강당과 호수도 조성됐다. 해외 유명 대학의 교수들을 초청하고, 해외 학생들도 유치해 이제 막 국제 캠퍼스의 모습을 갖추기 시작했다.

여기서도 이제 반도체 전자파 연구가 시작됐다. 학생들의 눈빛이 초롱초롱하다. 이런 대학이 중국에는 100개도 넘는다.

2019년 10월 21일 중국 저장대학교에서 열린 EMC COMPO2019 기조연설 장면 사진. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에서도 전자파가 발생해

가정에서는 냉장고, 선풍기, 마이크로웨이브 오븐뿐만 아니라 전열기 등에서 전자파가 많이 발생한다. 특히 모터와 전열기에는 큰 전류가 흐르고, 코일이 설치돼 있어 전자파가 많이 나오고 차폐하기도 어렵다.

그런데 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 항공기에 사용되는 가장 중요한 부품인 반도체에서도 위험한 고주파 전자파가 많이 나온다.

특히 고성능 CPU나 GPU에서 고주파 전자파가 많이 발생한다. 가장 큰 이유는 이들이 큰 스위칭(Switching) 전류를 쓰기 때문이다. 논리 연산에서 전압 레벨이 '0'에서 '1'로 변하거나 '1'에서 '0'으로 변하는데, 이때 고주파 전류가 많이 흐른다.

더욱이 빠른 인공지능 계산 속도를 위해서는 프로세서가 데이터를 외부 메모리와 주고받아야 하는데, 그때 커다란 전류 스위칭 동작이 일어난다. 인공지능 컴퓨터에서는 병렬 프로세서가 사용되는데 연결선의 숫자도 많고, 전류도 많이 흐르고, 스위칭 주파수도 높다. 그래서 어느 반도체보다도 인공지능 반도체가 고주파 전자파를 많이 발생시킨다.

이러한 전자파는 주변 회로나 시스템에 영향을 미쳐 시스템의 오동작을 일으킬 수 있다. 예를 들어 인공지능의 학습이나 판단을 위한 데이터가 전자파에 의해서 변경될 수 있다. 그러면 인공지능이 오동작을 할 수 있다.

또한 전자파 간섭에 의해서 센서 신호나, 메모리 속의 데이터가 변경될 수 있다. 인공지능이 센서 입력 기반으로 학습하고 판단한다. 그래서 만일 전자파 때문에 데이터가 변경된다면 인공지능 자율주행 자동차는 치명적인 사고로 이어질 수 있다.

자율주행 자동차뿐만 아니라 스마트폰에는 많은 안테나를 내장해 외부와 통신한다. 자율자동차의 경우, 이 통신 신호에 기반해 위치와 운행을 결정한다. LTE, 5G뿐만 아니라 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth) 등 멀티미디어 통신에도 간섭을 일으킨다. 이러한 전자파 중에서 고주파 전자파는 대부분 그 원인이 반도체에 있다.

고성능 계산용 프로세서 반도체에서 발생하는 고주파 전자파 노이즈의 파형. [출처=KAIST]

인공지능 반도체에 필요한 융합 기술

인공지능 반도체에서 발생하는 전자파를 최대한 줄이기 위해서는 차폐를 잘해야 한다. 금속 박막이나 금속선으로 전자파가 새 나가는 것을 막는다. 또는 전송선 구조를 완전한 밀폐 구조로 만든다. 그러려면 더 많은 금속선과 금속박막이 사용된다. 금이나 구리를 더 많이 사용한다. 결국 비용이 증가한다.

또는 회로와 전력 공급망에 고주파 필터를 더 많이 설치해야 한다. 그러면 프로세서 주변에 수백 개의 전원 필터가 달릴 수도 있다. 결국 인공지능 반도체의 비용이 증가할 수밖에 없다. 이와 같은 현상은 클라우드 서버용 인공지능 반도체뿐만 아니라 자율주행 자동차, 스마트폰용 인공지능 반도체에도 모두 해당한다.

인공지능, 반도체, 전자파는 완전히 다른 기술 분야로 생각하기 쉽다. 인공지능은 알고리즘과 소프트웨어로 표현되고, 반도체는 손톱만한 칩으로 보이고, 전자파는 눈에 보이지 않기 때문이다.

대학에서 배우는 전공과목도 다르고, 교과서도 다르고, 지도교수도 다르다. 활동하는 학회도, 학술지도 다르다. 분야마다 사용하는 언어나 방법뿐만 아니라 문화도 다르다. 그런데 인공지능 시스템을 개발하려면, 더 나아가 인공지능용 반도체를 개발하려면 이 모두를 아우르고 고려해서 개발해야 한다. 바야흐로 인공지능 기술은 융합과 복합 기술이다.

MEMRISTOR와 HBM으로 대표되는 인공지능 반도체의 구조. [출처=KAIST]

김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수 joungho@kaist.ac.kr

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[단독] 해군 2030~2040년 '건함계획' 발표 [서울=뉴스핌] 오동룡 군사방산전문기자= 해군이 2030년대부터 2040년까지 한국형 이지스함(KDDX)을 3차까지 진행해 총 18척을 확보하고, 장보고IV 사업을 새로 시작하고, 해상초계기를 추가로 도입하기로 하는 등 새로운 '건함계획'과 '해상초계 전력 계획'을 마련한 것으로 확인됐다. 해군의 이 같은 움직임은 북한이 지난 10일 노동당 창건 80주년 열병식에서 각종 전술핵 탑재 무기와 신형 전략무기 체계를 대거 공개하며 대남 위협 수위를 끌어올리고 있는 데 따른 대응 차원으로 풀이된다. 특히 북한의 신형 잠수함발사탄도미사일(SLBM)과 초음속 순항미사일 2종, 그리고 5000톤급 신형 구축함 최현함의 장거리 타격 능력 강화 정황이 확인되면서, 우리 군의 대응체계와 방어공백에 대한 우려가 커지고 있는 데 따른 것이다. 한화오션이 서울ADEX에 선보인 한국형 이지스함(KDDX) 모형. [사진=디펜스타임스 제공] 2025.10.20 gomsi@newspim.com ◆한국형 차기 이지스 구축함(KDDX) 12척 추가 건조 = 해군은 최우선으로 만재배수량 8000톤급 한국형 차기 이지스 구축함(KDDX) 추가 전력 확보에 나서기로 했다. 해군은 세종대왕급(세종대왕함, 율곡이이함, 서애류성룡함) 구축함, 정조대왕급(정조대왕함, 다산정약용함, 3번함 건조 중) 구축함 등 이지스 구축함 6척 확보와 함께 KDDX를 최대 18척까지 보유하겠다는 계획을 수립했다. KDDX 사업은 배 선체부터 전투 체계, 레이더 등 무장을 국내 기술로 만드는 국산 구축함 사업이다. 미니 이지스함 6척을 건조한다. 신형 군함을 도입하는 7조8000억 원 규모의 KDDX 사업은 방위사업청이 우왕좌왕 하는 사이 진전되지 않고 있음에도, 해군이 KDDX Batch-Ⅱ, KDDXⅡ 사업을 만들어 국산 이지스함을 추가로 확보하려는 계획을 세운 것은 한미 간 '기술 이전 문제' 때문으로 보인다. 국민의힘 강대식 의원이 19일 해군본부에서 제출받은 자료에 따르면, 해군은 지난해 6월 미 해군 측에 서한을 보내 "북한 위협 대응을 위해 정조대왕급 이지스함과 SM-3/6 함대공미사일 확보 등을 추진 중이지만, 이지스함 전투력을 크게 높이는 협동교전능력(CEC) 미탑재로 초수평선, 장거리 대공표적 대응 능력이 제한되고 있다"며 대한(對韓) 수출을 요청했다. CEC는 지구의 곡면 특성을 감안, 여러 함선과 항공기에서 레이더 등으로 추적·확보된 표적정보를 고용량 네트워크를 통해 실시간 융합·분배해서 공통 표적을 산출, 원격교전을 치를 수 있도록 지원하는 체계다. 이에 대해 미 해군은 같은 해 8월 답신에서 "미 정부의 수출통제 및 기술이전 정책은 한국에 대한 CEC 수출을 지원하지 않는다"며 거부 의사를 밝혔다. 미 해군은 거부의 이유로 밝힌 '수출통제 및 기술이전 정책'이 무엇을 의미하는지 구체적으로 명시하지 않았다. 호주는 2018년 호바트(Hobart)급 방공구축함, 일본은 2020년 8번째 이지스함이자 아타고급의 개량형인 마야급 이지스함에 CEC를 탑재하도록 허용했지만, 한국에는 CEC를 판매할 의사가 없다는 뜻을 명백하게 밝힌 것이다. 호주·일본에는 CEC를 제공한 미국이 같은 동맹국인 한국에는 수출하지 않으려는 '이중적 태도'에 실망한 해군이 이지스함 기술 국산화를 표방하는 KDDX 추가 건조로 방향을 틀었던 것으로 보인다. 미국의 판매 거부에 따라 해군은 2030년대 중·후반까지 미국 CEC와 유사한 '한국형 해상통합방공체계'를 구축하는 것으로 선회했다. 이를 위해 국방과학연구소(ADD) 주도로 관련 핵심기술 개발을 추진할 예정이다. ADD가 개발하는 한국형 해상통합방공체계는 이지스 구축함, 해상초계기, 항공모함 등 해군 전력과의 연동, 그리고 장거리 미사일 요격체계(L-SAM) 등 첨단 무기체계에 적용이 가능하다. 하지만 미국산 전투체계를 쓰는 세종대왕급·정조대왕급 이지스함에선 한·미 간 체계 연동 및 통합 여부 등이 불확실해 원활한 운용을 장담하기 어렵다는 전망이 나온다. 따라서 해군은 정조대왕급 이지스함 추가 건조보다는 KDDX 추가건조를 선택한 것으로 풀이된다. KDDX 사업은 총 개념설계→기본설계→상세설계 및 선도함 건조→후속함 건조 순으로 이뤄진다. 개념설계는 2012년 당시 대우조선해양(현 한화오션)이 수주했고, 기본설계는 2020년 현대중공업(현 HD현대중공업)이 따냈다. 현재 상세설계 및 선도함 건조에 착수해야 하지만, 사업자 선정을 두고 양 업체 간 갈등이 심해지며 연기됐다. HD현대중공업은 기존 관례대로 기본설계를 주도한 업체가 수의계약을 맺어야 한다고 주장했다. 반면 한화오션은 HD현대중공업이 보안 벌점을 받은 점을 거론하며 '경쟁입찰'로 사업자를 선정해야 한다고 맞서고 있다. 업계 관계자는 "한화와 현대가 서로 한 치의 양보 없이 다투고 있는지 그 이유를 알 것 같다"면서 "KDDX 사업에서 한화와 현대의 대결은 '6척 싸움'이 아니라 '18척 싸움'이기 때문에 한 치의 양보 없는 대결 양상으로 치닫는 것 같다"고 했다. 해군은 현재 추진 중인 KDDX 6척 건조 사업이 출발하고, 차기호위함(FFX) Batch-IV 사업이 끝나는 즉시 곧바로 개량형이라 할 수 있는 KDDX Batch-II 사업을 실행한다는 계획이다. 최종적으로 새로운 개념을 적용한 KDDX-II 사업을 2035년 이후에 도입하기로 했다. HD현대중공업이 건조해 지난해 말 해군에 인도한 차세대 호위함(울산급 Batch-Ⅲ) 선도함 '충남함' [사진=HD현대중공업] 2025.10.20 gomsi@newspim.com ◆차기호위함(FFX) 사업 종료 후 차기호위함(FFX)-II 사업 = 한편, 해군은 기존 차기호위함(FFX) Batch-I/II/III/IV 사업을 완료한 후, 차기호위함(FFX)-II를 계획하고 있다. 해군은 FFX-II 사업에 대해서는 명확한 입장이지만, 건조시기와 구체적 제원에 대해서는 밝히지 않고 있다. 현재 해군은 차기 호위함(FFX) 사업으로 총 26척의 호위함(FFG)을 전력화 한다. FFX Batch-I 사업으로 인천급 호위함 6척, FFX Batch-II 사업으로 대구급 호위함 8척을 건조했고, FFX Batch-III 사업으로 충남급 호위함 6척을 건조하고 있다. 해군은 현재 차기 호위함(FFX) Batch-IV 사업으로 2023년부터 2032년까지 약 3조2500억 원을 투입, 총 6척을 건조하는 'FFX Batch-IV'(울산급 Batch-IV) 사업을 진행 중이다. 2029~2030년경 6척의 함정 모두가 해군에 인도될 예정이다. FFX 사업이 완료되면 광개토대왕급 구축함까지 모든 해역함대의 노후화된 중·대형 함정이 교체가 완료된다. ◆AI 기반의 연안초계함(OPV) 사업을 진행 = 또한 1000t급 연안초계함(OPV) 사업을 진행해, 미사일 고속함 PK-A/고속함 PK-B로 대표되는 고속함들을 보완할 계획이다. 연안초계함(OPV)은 인력 절감과 효율성을 위해 AI(인공지능) 기반의 자동화·무인화 기술이 적용된 미래형 함정이다. 1500~2200톤급으로, 기존 초계함보다 거주성 등이 향상시켜 연안 및 해상 경비, 해양 안전, 어업 지도, 해양 오염 감시 등 다양한 임무를 수행하도록 설계된다. 2020년 11월 10일 대우조선해양 거제 옥포조선소에서 진수한 중형급 잠수함 2번함 '안무함(KSS-Ⅲ, 3000톤급)'. 안무함은 2018년 9월 진수한 도산안창호함에 이은 장보고-Ⅲ급 두 번째 잠수함이다. 해군이 건조하는 '장보고Ⅳ' 잠수함도 같은 체급의 형상이다. [사진=대우조선해양] 2025.10.20 gomsi@newspim.com ◆장보고IV 사업 추진에 이어 2040년경 원잠 추진 = 한편, 해군의 수중전력인 잠수함 전력증강 계획에 대해 살펴보자. 해군은 2035년 이후 현재 장보고III Batch-I/II/III를 끝내고, '장보고IV 사업'으로 넘어간다. 최종 결론이 나오기 전이지만, 해군이 밝힌 장보고IV 사업은 그동안 2000톤급 잠수함으로 알려졌으나, 해군이 이번에 밝힌 방향은 3000톤급인 것으로 알려지고 있다. 장보고IV 사업 이후인 2040년 무렵, 해군은 차세대 잠수함을 건조할 계획으로, 원자력 추진 기관을 탑재하는 것을 염두에 두고 있다. ◆P-8A 포세이돈 후속으로 한국형 해상초계기 개발 계획 = 해군은 현재 P-3C/CK와 15대와 P-8 포세이돈 6대 등 21대의 해상초계기를 보유, 휴전선 길이의 9.5배, 남한 넓이의 3.3배에 이르는 30만㎢의 작전해역에 대한 상시감시와 주요 해상교통로를 보호하는 데 주력하고 있다. 해군항공사령부 전력은 현재 P-8A 포세이돈 6대를 주력으로 2030년대를 맞이한다. 하지만 해군은 이번에 기존 P-3C/CK 대체용으로 한국형 해상초계기 사업을 추진할 계획임을 분명히 했다. 지난 5월 29일 경북 포항기지에서 발생한 P-3CK 해상초계기 추락사고는 1968년산으로, 무려 57년을 운용한 노후 항공기의 위험성을 해군에 각인시켰다. 한국항공우주산업(KAI)이 서울ADEX에서 선보인 한국형 해상초계기 모형. KAI는 2017년 스웨덴 사브가 제시한 '소드피시형'의 국내 개발 해상초계기를 제시하고 있다. [사진=디펜스타임스 제공] 2025.10.20 gomsi@newspim.com 해군 관계자는 "해군은 현재의 P-3CK 기종을 2030년까지 운용하고, 그 이후에 최신예 한국형 해상초계기를 도입을 개획하고 있다"면서 "사고가 난 초계기와 동형인 나머지 P-3CK 7대의 조종사 안전, 그리고 대잠전력의 공백을 막기 위해 한국형 해상초계기 도입사업을 앞당겨야 할 필요가 있다"고 했다. 다만 2025년 10월 기준, 해군은 해상초계기를 해외 직도입으로 할지, 국내개발로 할지, 획득방법을 결정하지는 않은 것으로 알려졌다. 내년 1/4 분기에 획득방법을 결정하는 것으로 알려졌다. 업계 관계자는 "한국항공우주산업(KAI)에서는 2017년 스웨덴 사브가 제시한 소드피시형의 국내 개발 해상초계기를 제시하고 있다"면서 "KAI가 기존의 에어버스 A320 여객기를 개조하는 개발 계획에서 한 발짝 물러난 것으로 보인다"고 했다. 향후 해상초계기 추가 소요는 운용인력을 감안해 11대로 알려졌다. gomsi@newspim.com 2025-10-20 11:12