류성주 교수 연구팀, 반도체 설계 자동화 분야 Top Conference ‘ICCAD 2025’ 논문 채택      

본교 시스템반도체공학과/전자공학과 류성주 교수 연구팀의 논문이 반도체 설계 자동화 분야 Top Conference인 ‘International Conference on Computer-Aided Design (이하 ICCAD) 2025’에 채택되었다. 1982년부터 시작된 ICCAD는 반도체, VLSI(초대규모 집적회로) 설계 및 관련 기술 분야의 발전을 선도해 온 권위 있는 국제 학술대회로, 오는 10월 26일부터 30일까지 독일 뮌헨에서 개최될 예정이다.

논문의 제목은 “OptiRange: An Efficient ReRAM-Based PIM Accelerator with ADC Resolution Optimization”이며, 전상규 석박사통합과정 학생의 주도하에 지기산 석박사통합과정, 김영건 석사과정, 박영준 석사과정, 김상연 석박사통합과정 학생들이 함께 연구를 진행하였다.

인공지능(AI) 모델의 파라미터 수가 기하급수적으로 증가함에 따라, 데이터 전송 과정에서 발생하는 메모리 병목 현상을 해결하기 위한 PIM 아키텍처가 활발히 연구되고 있다. 특히 ReRAM(저항성 메모리) 기반 PIM은 높은 병렬성과 에너지 효율로 큰 기대를 모았으나, 아날로그 연산 결과를 디지털 신호로 변환하는 ADC의 막대한 에너지 소모가 큰 걸림돌로 작용했다.

기존의 연구에서 ADC 에너지 소모를 줄이기 위해 가중치를 양자화하고 하드웨어를 추가하는 방식을 제안했으나 이는 모델의 정확도를 감소시키고 많은 하드웨어를 추가하는 부담이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 PIM 회로에서 일부 데이터 연산를 위해 소모하는 전류가 매우 큰 현상을 분석하고, 이를 해결하기 위한 OptiRange 아키텍처를 개발하였다.

이 기술은 인공지능 모델의 가중치는 그대로 유지하면서 매우 작은 하드웨어 추가를 통해 기존 연구의 문제점을 해결하였다. ReRAM 셀에 기록되는 컨덕턴스 값을 소프트웨어 단계에서 재구성하고, 동적인 ADC Range를 통해 불필요한 ADC 단계를 최소화한다. 해당 기법은 (1) ADC Resolution을 불필요하게 크게 만드는 셀 값을 탐지하고 이를 인접한 셀에 STB (Split-the-burden) 알고리즘을 통해 분배하고, (2) 재구성된 셀 값을 토대로 DAR (Dynamic ADC Range)를 통해 불필요한 ADC 단계를 건너뛰는 방식으로 설계되었다.

실험 결과, OptiRange는 기존 SOTA (State-of-the-art) 모델 대비 최대 에너지 소비 절감 3배, 연산 처리 속도를 최대 1.4배 향상시키는 성과를 거뒀다. 이 연구를 통해 ReRAM PIM 뿐 아니라 다양한 PIM 하드웨어에서 ADC 에너지 소비 절감 및 지연 시간 감소에 기여할 것으로 기대된다.

▶ 논문제목: OptiRange: An Efficient ReRAM-Based PIM Accelerator with ADC Resolution Optimization

▶ 저자 정보: 전상규 석박사통합과정(제 1저자), 지기산 석박사통합과정(제 2저자), 김영건 석사과정(제 3저자), 박영준 석사과정(제 4저자), 김상연 석박사통합과정(제 5저자), 류성주 교수(교신저자)