FPGA 탄생 40주년…‘반도체 혁신’을 견인한 여정을 기념하며

올해는 ‘프로그래밍이 가능한 하드웨어’라는 아이디어를 도입한 최초의 상업용 프로그래머블 반도체(Field-Programmable Gate Array, FPGA)가 등장한 지 40주년이 되는 해다.

‘소프트웨어(SW)와 같은 유연한 하드웨어(HW)’라는 목표를 바탕으로 탄생한 FPGA의 재프로그래밍 구조는 반도체 설계의 판도를 바꿨다. 개발자들은 처음으로 직접 칩을 설계할 수 있었고, 개발 도중, 혹은 제조 후에 사양이나 요구 사항이 변경되더라도 칩의 기능을 재정의해 새로운 작업을 수행할 수 있도록 조정할 수 있게 된 것이다.

이러한 유연성은 새로운 칩 설계를 더 빠르게 개발할 수 있도록 해 주면서 새로운 제품을 준비하는 시간을 단축한 동시에 주문형 반도체(ASIC)를 대신하는 새로운 대안으로 자리를 잡았다.

FPGA가 업계에 미친 영향은 놀랍다. FPGA는 10억달러 이상의 거대한 산업을 이끌어낸 것인데, 지난 40년간 AMD는 30억개 이상의 FPGA와 적응형 시스템온칩(SoC)를 다양한 분야의 7,000곳 이상의 고객사에 공급했다.

실제로 AMD는 지난 25년 연속으로 프로그래머블 로직 시장 점유율 1위를 차지했으며 앞으로도 제품 포트폴리오와 로드맵의 강점을 바탕으로 지속적인 시장 리더십을 꾸준히 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

FPGA는 현재 고인이 된 로스 프리먼(Ross Freeman) 자일링스(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 것으로 생각한 혁신가였다.

FPGA는 엔지니어가 칩의 설계를 언제든 변경할 수 있는 자유와 유연성을 제공하며 단 하루 만에도 맞춤형 칩을 개발하고 설계할 수 있는 환경을 제공했다. 아울러 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 가속화했는데, 이 접근 방식은 기업이 획기적인 하드웨어를 만들기 위해 파운드리를 소유할 필요가 없고 비전과 설계 기술, 그리고 FPGA라는 것을 증명했다.

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

오늘날 FPGA와 적응형 SoC, 시스템온모듈(SOM)을 비롯한 적응형 컴퓨팅 장치는 자동차와 기차, 신호등에서 로봇, 드론, 우주선, 위성, 무선 네트워크, 의료 및 테스트 장비, 스마트공장, 데이 센터, 심지어 고속 주식 거래 시스템에 이를 만큼 넓은 분야에서 활용되고 있다.

세계 최초의 상업용 FPGA인 XC2064는 트랜지스터 8만5000개, 설정가능한 로직 블록 64개, I/O 블록 58개로 구성돼 있다. 

이에 비해 오늘날 가장 첨단화된 AMD FPGA 기반 장치인 버설 프리미엄(Versal Premium) VP1902는 트랜지스터 1,380억개, 로직 셀 1,850만개, I/O 블록 2,654개, DSP58 엔진 최대 6,864개와 메모리, 보안 및 인터페이스 기술을 위한 광범위한 하드웨어 IP를 탑재하고 있다.

한편, 비바도와 비티스 소프트웨어의 도입은 FPGA 시장 확대를 견인하는 주요 요소로 작용했다. 비바도는 고수준 합성, 머신러닝(ML) 기반 최적화, IP 코어 통합 기능 등을 통해 워크플로우 간소화, 개발 주기 단축, 성능 향상 등을 위한 제반 환경을 제공하는 소프트웨어 통합 툴이다.

비티스 개발 환경은 사전에 최적화된 툴과 추상화 계층을 통해 AI 추론을 가속화할 수 있도록 지원하는데, 최신 버전(2024.2)에서는 임베디드 C/C++ 설계를 위한 독립 실행형 툴과 AMD 버설 적응형 SoC의 AI 엔진 사용을 간소화하는 기능이 추가됐다.

AMD는 생산성을 높이고 새로운 데이터 유형 및 AI 모델에 효율적으로 대응할 수 있도록 관련 툴에 대한 투자도 이어가고 있다.

FPGA 기술은 다양한 산업 전반에서 AI가 통합된 애플리케이션의 급속한 성장을 최전선에서 지원하고 있다. 특히 FPGA와 적응형 SoC는 센서 데이터를 지연 없이 실시간 처리하면서 엣지에서 AI 추론을 가속하고 있다.

최근에는 소형화 된 생성AI 모델이 등장하면서 우리는 엣지에서도 새로운 ‘챗GPT(ChatGPT)의 순간’을 목격하게 될 것이다.

이러한 새로운 AI 모델들은 AI PC와 자동차, 로봇, 우주/항공 애플리케이션을 비롯한 그 어떤 임베디드 애플리케이션까지 모두 엣지 디바이스에서 실행될 수 있다.

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

AMD는 FPGA 탄생 40주년을 기념하면서, 이를 발명한 것을 매우 자랑스럽게 생각하며 이 기술이 어디까지 왔는지, 또 다음 40년 동안 얼마나 더 큰 영향력을 끼칠지에 대해 기대하고 있다.

최첨단 및 시장 선도 제품을 개발자는 FPGA 기술을 계속 사용해 혁신적인 칩을 설계하고, 하드웨어 기반 검증을 강화할 수 있다. AMD는 다가올 미래에도 이 놀라운 기술의 발전을 계속 이끌어갈 것이다.

글 : 살릴 라제(Saili Raje) / 어댑티브·임베디드컴퓨팅그룹(AECG) 총괄 / AMD