반도체 분야에서 NPU / PIM이란 무엇인가?

 

 

 

AI 시대를 움직이는 차세대 두뇌 기술 완전 정리

AI가 일상 속으로 깊게 들어오면서, 반도체 산업에도 거대한 변화의 파도가 밀려오고 있습니다. 그 중심에는 NPU(Neural Processing Unit)와 PIM(Processing In Memory)이라는, 다소 생소하지만 앞으로는 매우 익숙해질 두 가지 기술이 있습니다.
이 글에서는 이 두 기술의 개념·역할·등장 배경·차이점을 체계적으로 풀어보겠습니다.

 

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🧠 1. NPU(Neural Processing Unit)란 무엇인가?

✔ 한 문장 정의

“AI 연산(특히 딥러닝)을 빠르고 효율적으로 수행하기 위한 전용 두뇌.”

✔ 왜 필요할까?

기존 CPU, GPU도 연산은 가능하지만 AI 모델이 사용하는 연산 패턴—
예를 들어 행렬 곱셈 · 벡터 연산 · 대규모 병렬 계산—을 처리하기엔 비효율적입니다.
특히 모바일·엣지 환경에서는 전력 소모가 너무 큽니다.

그래서 등장한 것이 AI 특화 전용 프로세서 = NPU.

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📌 1-1. NPU의 핵심 특징

🔸 (1) 행렬·벡터 연산 특화

딥러닝 모델은 대부분 행렬 × 행렬 계산에 기반합니다.
NPU는 이 연산을 수천~수만 개의 연산 유닛으로 동시에 병렬 처리합니다.

🔸 (2) 적은 전력, 높은 효율

스마트폰에서 사진 보정, 음성 인식, 얼굴 인식 등이
“전력 거의 안 쓰고 빠르게” 수행되는 이유가 바로 NPU.

🔸 (3) 모바일·엣지 시대의 필수 부품

삼성 엑시노스 / 애플 A칩 / 스냅드래곤 등 최신 모바일 AP는 모두 NPU 내장.

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📌 1-2. NPU가 쓰이는 영역 예시

• 스마트폰 카메라 AI 보정
• 음성 인식·번역
• 자율 주행 차량 센서 처리
• 로봇 비전
• IoT 디바이스의 실시간 AI 처리
• 오프라인 AI 앱(예: 생성형 AI 경량화 모델 실행)

즉, “서버 없이 기기 자체에서 AI를 돌리고 싶다” → NPU 필수.

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🧩 2. PIM(Processing In Memory)란 무엇인가?

✔ 한 문장 정의

“메모리 자체에 연산 기능을 넣어, 데이터를 움직이지 않고 그 자리에서 계산하는 기술.”

✔ 왜 필요할까?

AI 연산이 커질수록 가장 큰 문제는
**데이터 이동 속도 한계(Bottleneck)**입니다.

데이터를 “저장된 메모리 → CPU/GPU로 이동 → 처리 → 다시 저장”
이 과정을 반복하는데, 이때 소모되는 시간과 전력이 엄청납니다.

그래서 나온 개념이 메모리가 곧 프로세서가 되면 되지 않나? → PIM.

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📌 2-1. PIM의 핵심 특징

🔸 (1) 메모리 내부에서 연산 수행

데이터 이동을 최소화하므로 속도·전력 면에서 혁신적.

🔸 (2) 대규모 AI 모델 처리 적합

특히 대규모 파라미터를 가진 LLM(예: GPT)이나
이미지를 처리하는 CNN 같은 모델에서 효과가 큼.

🔸 (3) HBM(고대역폭 메모리)과 결합

현재 SK하이닉스, 삼성전자 등이 PIM 기능이 들어간 HBM-PIM 기술을 개발 중.
AI 반도체 시대에 가장 주목받는 기술 중 하나.

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⚙ 3. NPU vs PIM 비교 요약

구분 NPU PIM

정체성	AI 연산 전용 프로세서	메모리와 연산을 통합한 기술
목표	AI 연산을 빠르고 효율적으로 처리	데이터 이동 없이 연산해 속도·전력 개선
등장 배경	CPU·GPU의 AI 연산 비효율	메모리-연산 분리 구조의 병목 해결
강점	실시간 AI 처리가 뛰어남(엣지)	대용량 AI 처리 최적화(서버·데이터센터)
사용처	모바일·엣지 디바이스	서버, 고성능 AI 시스템
대표 기술	애플 뉴럴엔진, 삼성 NPU	HBM-PIM, DRAM-PIM

핵심 요약:

• NPU = AI 전용 뇌
• PIM = 메모리 자체가 뇌 역할까지 하는 기술

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🚀 4. 두 기술이 왜 뜨는가? (AI 시대의 방향성)

AI 모델은 갈수록 커지고 있고, 실시간성은 더욱 중요해지고 있습니다.

✔ NPU는 ‘개별 기기’의 똑똑함을 책임지고

✔ PIM은 ‘데이터센터·서버’의 처리 능력을 극대화합니다.

즉,
“엣지에서는 NPU, 대형 AI 인프라에서는 PIM”
이 조합이 앞으로 반도체 산업의 대세 흐름이 될 가능성이 큽니다.

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📝 마무리: AI 반도체의 미래를 여는 핵심 키워드

NPU와 PIM은 단순한 신기술이 아니라
AI 시대를 근본부터 다시 설계하는 기반 기술입니다.

앞으로 스마트폰·자율주행차·로봇·데이터센터·클라우드 모두
이 두 기술의 발전에 따라 성능이 달라질 것입니다.

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