산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2026호 (p57~59)

독자적 CPU로 노리는 소버린 AI
라피더스를 아군 삼아 GPU와 공존

후지쓰(富士通)가 AI 시장 개척을 향한 차기 CPU(중앙처리장치) 개발에 나섰다. 이화학연구소(理化学研究所)와 함께 개발하고 있는 슈퍼컴퓨터 '후가쿠(富岳) NEXT'에 탑재할 예정이며, AI 서버 분야의 세계 고객들에게도 판매해 나갈 방침이다. 이 차기 CPU에는 1.4nm 세대 기술과 3차원 실장 기술을 적용, 생산은 라피더스(Rapidus, 도쿄)에 위탁하는 것을 우선적으로 검토한다. 반도체와 AI를 양 축으로 일본의 산업 경쟁력을 향상시켜 나갈 방침이다.

"1세대 후가쿠 개발에 참여한 의의는 크다. 후가쿠의 기술을 기반으로 개발한 HPC(고성능 컴퓨팅) 제품은 일본뿐만 아니라 해외에서도 판매되고 있다." 후지쓰의 마하잔 CTO(최고기술책임자)는 자사가 슈퍼컴퓨터 개발에 참가하는 의의를 이렇게 강조한다.

후지쓰는 자사의 독자적 CPU 'FUJITSU-MONAKA' 시리즈를 무기로 소버린(주권) AI 등의 시장을 개척한다는 전략을 내세우고 있다. 기밀성을 중시하는 국방, 제조, 헬스케어, 금융 등의 분야를 대상으로 보안도 강화한 AI 인프라를 제공. MONAKA 시리즈에서는 AI 기능 강화와 절전 성능을 양립해 AI 서버 분야의 세계 고객들에게 고속·저소비전력의 CPU를 제공할 방침이다.

후가쿠 NEXT에 탑재되는 CPU 'FUJITSU-MONAKA-X'에는 1.4nm 세대의 프로세스 기술과 복수의 반도체 칩(칩렛)의 3차원 실장 등 최첨단 기술들이 풍부하게 담겨있다. 트랜지스터를 매우 낮은 전압에서 안정적으로 작동시키는 초저전압 동작 기술도 후지쓰의 독자적 강점이다.

후지쓰는 영국 Arm의 아키텍처를 기반으로 세계적으로도 인텔 등 극히 일부 기업만이 개발할 수 있는 AI 서버용 고성능 CPU를 실현할 계획이다. 우선은 후가쿠 NEXT에 공급하지만, 거기에 안주할 생각은 없다.

-- MONAKA는 시제품 칩으로 OS 구동 --
MONAKA-X 개발의 시금석이 되는 것이 이전 세대인 1세대 'FUJITSU-MONAKA'이다. 2nm 세대 기술을 적용해 2027년에 제품화한다. 현재, 제조를 위탁한 대만의 TSMC가 시험 제작한 웨이퍼를 평가하는 단계에 있다.

후지쓰에서 MONAKA 시리즈 개발을 이끌고 있는 후지쓰연구소 첨단컴퓨팅개발본부의 요시다(吉田) 본부장은 "목표한대로 프로세스가 기능하고 있다"라며 자신감을 내비쳤다. 국내 사업소에서 OS(기본 소프트웨어)를 시제품 칩으로 구동하면서 성능 검증을 진행하고 있다고 한다.

마하잔 CTO는 그 차세대가 될 MONAKA-X에 대해 "가급적 일본에서 생산하고 싶다"라고 말한다. 2027년에 2nm 세대 반도체의 수탁 생산을 개시할 계획을 가진 라피더스에 위탁하는 것을 우선적으로 검토할 방침이다.

라피더스는 2029년경에 1.4nm 세대 반도체 양산을 목표로 하고 있어 MONAKA-X의 투입 시기와 일치한다. 마하잔 CTO는 "올해 안에 위탁 생산처를 결정하고 싶다”라고 언급, 라피더스로의 위탁 가능성 파악을 서두르고 있다.

-- GPU에만 의존하지 않고 CPU의 AI 기능 강화 --
올 3월까지 진행된 후가쿠 NEXT의 기본 설계에서 확정된 것은 MONAKA-X와 엔비디아의 GPU를 연결해 계산 노드를 구성한다는 큰 틀의 방향성이다. 2개의 MONAKA-X와 복수의 GPU를 엔비디아의 인터커넥트 기술 'NVLink Fusion'으로 연결하는 구성을 상정하고 있다.

"후가쿠의 CPU인 A64FX의 자산을 이어받아 애플리케이션 성능을 향상시키면서 AI도 활용하기 쉽도록 한다." 후가쿠 NEXT에서의 MONAKA-X 역할에 대해 요시다 본부장은 이렇게 설명한다.

AI 기능 강화를 위해 MONAKA-X에는 Arm의 행렬 연산 엔진 'SME(Scalable Matrix Extension)'가 내장될 예정이다. 서버용으로는 세계 최초라고 한다. SME는 AI로 중요한 행렬 연산을 고속으로 실행하는 구조로, 수백 개의 CPU 코어 전체가 SME를 지원한다. 요시다 본부장은 "프로그래머 관점에서 보면 GPU보다 손쉽게 행렬 연산을 실행할 수 있게 된다"라고 말한다.

후가쿠 NEXT에 이어 MONAKA-X의 향후 응용처로 요시다 본부장은 AI 에이전트를 꼽는다. 민감한 데이터를 다루는 소버린 AI에서는 클라우드가 아닌 자체적으로 관리가 가능한 곳에 데이터를 두고 싶다는 요구가 많다. 그 운용을 담당하는 AI 서버에는 처리 성능 외에도 절전 성능 및 설치 편의성이 요구된다.

이러한 경우에는 대량의 GPU를 사용하는 AI 서버가 최적이라고는 말할 수 없다. 소비전력과 냉각 수단이 걸림돌이 될 수 있다. 그래서 MONAKA 시리즈는 AI 기능 강화와 절전 성능에 중점을 두고 있다. 요시다 본부장은 "극단적으로 말해 공랭으로 어디에나 설치가 가능한 AI 서버용 CPU가 MONAKA이며, 그 성능을 수 배 높인 것이 MONAKA-X이다"라고 말한다.

-- 칩렛 기술과 3차원 실장 기술 구사 --
복수 칩으로 반도체를 구성하는 칩렛 기술과 3차원 실장 기술을 구사하는 것도 MONAKA 시리즈의 특징이다. MONAKA-X에서도 이러한 기술들을 사용하는 것을 상정하고 있다.

1세대 MONAKA의 경우, 캐시 역할을 하는 SRAM(Static RAM) 다이(칩) 위에 CPU 코어 다이를 적층하고, 그것을 인터포저(중간 기판) 위에 복수 나열한다. 5nm 세대의 SRAM 다이와 2nm 세대의 CPU 코어 다이를 회로 면이 서로 마주보도록 밀착시키는 'Face to Face' 기술로 연결한다. 후가쿠의 A64FX에서는 CPU 본체를 1개의 칩으로 구성했었다.

이를 위해 현재 브로드컴(Broadcom)과 협업하고 있으며, 브로드컴은 후지쓰의 기술을 핵심으로 커스텀 설계한 반도체 MONAKA를 후지쓰에 공급하고 있다. 후지쓰의 입장에서는 브로드컴과 협력함으로써 TSMC에 생산을 위탁하기 용이하게 하려는 목적도 있는 것으로 보인다.

SRAM 다이를 CPU 코어 다이 아래쪽에 배치하는 이유는 크게 두 가지다. 우선은 데이터의 흐름이다. 패키지 중앙의 IO(입출력) 다이에서 SRAM 다이, CPU 코어 다이라는 데이터 흐름에 맞춘 배치로 했다. 또 다른 목적은 냉각에 있다. 비교적 큰 전력을 소비하는 CPU 코어 다이를 위쪽에 배치함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다.

코스트 절감을 위해 2nm 세대라는 최첨단 칩의 면적을 전체의 30% 이하로 억제한 것도 1세대 MONAKA의 특징이다. 미국 AMD (Advanced Micro Devices) 등의 3차원 실장형 CPU와 비교해 "코스트 구조가 전혀 다르다"(요시다 본부장)라고 한다.

더 나아가 2030년경의 실용화를 목표로 후지쓰가 개발을 추진하고 있는 것이 NPU(Neural Processing Unit)가 탑재된 CPU이다. NPU는 AI의 추론 처리를 고속 및 저전력으로 실행할 수 있다. MONAKA-X의 차세대에 해당하는 제품에서는 CPU와 NPU의 융합을 목표로 하고 있다.

요시다 본부장은 "AI의 사회적 구현에서는 추론이 중요하다"라고 말한다. 대량의 GPU로 거대한 AI 모델을 학습시키는 시스템뿐만 아니라, 학습된 AI 추론 모델을 잘 활용하는 시스템이 요구된다. 후지쓰는 MONAKA 시리즈로 그 수요에 대응하는 것을 목표로 하고 있으며, MONAKA-X 개발과 후가쿠 NEXT로의 탑재를 통해 그 출발점에 서게 될 것이다.

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