[챗GPT 출시 2개월] ② 현실이 된 초거대 AI...AI 반도체에 국가 AI 역량 달렸다

[사진=김효곤 기자]

챗GPT에 대한 글로벌 열풍으로 개발사인 오픈AI는 아직 수익을 내지 못하고 있음에도 290억 달러(약 36조원)라는 높은 기업 가치를 인정받았다. 하지만 가장 큰 수혜를 입은 기업은 정작 따로 있다. 미국 그래픽처리장치(GPU)와 인공지능 반도체(NPU) 기업인 '엔비디아'다.

6일 업계에 따르면 챗GPT 출시 전 주당 156.39달러였던 엔비디아 주가는 지난 3일 종가 기준 주당 211달러로 35% 가까이 급증했다. 이에 따라 기업 가치도 5200억 달러를 회복하며 전 세계 반도체 기업 시총 1위 자리를 공고히 했다. 증권가에선 엔비디아가 지난해 바이든 정부의 중국 반도체 수출 규제와 글로벌 경기 침체 영향에서 가장 빠르게 벗어나고 있는 미국 기업이라고 평가했다.

엔비디아가 챗GPT 최대 수혜주로 꼽히는 이유는 챗GPT를 포함한 시중의 초거대 AI 모델을 학습·추론(실행)하는 데 엔비디아의 데이터센터용 AI 반도체가 필수이기 때문이다. 소프트웨어(초거대 AI)는 전 세계 다양한 기업과 스타트업이 만들고 있지만 하드웨어(AI 반도체) 시장은 엔비디아가 97% 점유율을 기록하고 있다. 초거대 AI 활용성이 커지고 시장이 성장하면 엔비디아의 매출·영업이익도 동반 성장하는 구조다. 

인텔·AMD 등 다른 반도체 기업도 데이터센터용 AI 반도체를 생산하고 있지만 엔비디아의 AI 반도체 병렬처리기술(CUDA)에 밀려 시장점유율이 한 자릿수에 머무르고 있다. AI 반도체 병렬처리기술은 초거대 AI와 AI 반도체를 연결하기 위해 반드시 필요하다. 애플·퀄컴 등 엔비디아와 규모가 비슷한 경쟁사들은 스마트폰·태블릿PC·사물인터넷 등 에지(Edge)용 AI 반도체 개발에 주력하는 만큼 데이터센터용 AI 반도체 업계에서 당분간 엔비디아가 독주를 계속할 전망이다.

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◆챗GPT "저는 엔비디아 AI 반도체로 만들어졌습니다"

오픈AI는 홈페이지를 통해 챗GPT가 엔비디아·마이크로소프트와 협업으로 완성된 초거대 AI임을 명시하고 있다. 정확히 말하면 마이크로소프트가 엔비디아와 파트너십을 맺고 자사 클라우드에 대량의 AI 반도체로 구성된 GPU팜과 슈퍼컴퓨터(HPC) 클러스터를 구축(애저 HPC 클라우드)한 후 이를 오픈AI에 제공하고 있다. 챗GTP 학습과 추론에 투입된 슈퍼컴퓨터는 28만5000개의 CPU(중앙처리장치) 코어와 1만개 이상의 AI 반도체를 탑재한 것으로 알려졌다. 실제로 챗GPT에 어떻게 학습을 받았는지 물어보면 "엔비디아 AI 반도체를 활용해 학습받고 실행되고 있다"고 답한다.

샘 앨트먼 오픈AI CEO는 챗GPT가 이용자 질문(트랜잭션)을 처리하는 데 1회당 약 2센트의 비용이 들어간다고 밝혔다. 이게 바로 엔비디아 AI 반도체를 도입하고 이용하기 위해 필요한 비용이다. 챗GPT 이용자가 늘어나면 클라우드와 AI 반도체 사용량을 늘릴 수밖에 없고 그만큼 엔비디아의 매출과 영업이익도 증가하게 된다. 

월가 투자자들도 이점에 주목해 엔비디아를 챗GPT 열풍의 최대 수혜주로 꼽았다. 블룸버그 통신은 월가 투자자들을 인용해 "챗GPT를 둘러싼 기대감이 연초 엔비디아 주가를 견인함에 따라 S&P500 종목 가운데 가장 돋보이는 상승 폭을 보였다"며 "마이크로소프트가 오픈AI에 투자한 수십억 달러 대부분이 AI 반도체 확보에 쓰일 것으로 예상되는 만큼 엔비디아 칩에 대한 수요가 함께 커질 것"이라고 예측했다.

삼성전자, 네이버, SK텔레콤(SKT)도 초거대 AI 개발을 위한 사내 슈퍼컴퓨터를 구축하며 엔비디아 AI 반도체를 대량 도입했다. 네이버는 초거대 AI '하이퍼클로바' 학습에 엔비디아 AI 반도체를 1120개 활용한 것으로 알려졌다.

엔비디아도 초거대 AI 열풍에 맞춰 기업 체질을 전환하고 있다. 과거에는 게임용 GPU를 중심으로 사업을 전개했으나 2020년 이후 데이터센터용 AI 반도체와 차량(에지)용 AI 반도체 사업을 강화하며 미래 먹거리 확보에 속도를 내고 있다. 

미래에셋증권 보고서에 따르면 지난해 게이밍(46%), 데이터센터(39%), 전문시각화(8%), 기타(7%) 순이었던 엔비디아 매출 비중은 올해 데이터센터(57%), 게이밍(33%), 전문시각화(6%), 기타(4%) 순으로 크게 변할 전망이다. 전 세계 PC 게임 시장 축소에 따른 게이밍 GPU(지포스) 사업 부진을 데이터센터용 AI 반도체(테슬라) 사업으로 만회할 것으로 예상된다.

삼성전자, SK하이닉스 등 국내 메모리 업체도 엔비디아 AI 반도체 수요 급증에 따른 직간접적인 수혜를 입을 전망이다. 학습·추론이 모두 가능한 학습용 AI 반도체에는 'HBM3', 추론만 가능한 추론용 AI 반도체에는 'GDDR6'와 'GDDR7' 메모리가 필요하기 때문이다.

◆전 세계가 AI 반도체 수급 안간힘···확보하지 못한 중국은 하락세

마이크로소프트, 아마존웹서비스(AWS), 구글클라우드 등 빅테크들은 초거대 AI와 클라우드 시장 패권 확보를 위해 엔비디아 AI 반도체 확보와 함께 자체 AI 반도체 개발에 열을 올리고 있다. 현재 전 세계 클라우드 기업 중에서 엔비디아 AI 반도체를 가장 많이 도입한 곳은 HPC 클라우드를 운영 중인 마이크로소프트로 추정된다. AI 반도체를 수만 장 이상 도입한 상황에서 지속해서 그 수를 늘리고 있다. 그야말로 초거대 AI '올인' 전략이다. 아마존웹서비스와 구글클라우드도 엔비디아 AI 반도체를 대량 도입하며 동시에 자체 AI 반도체인 '인퍼런시아'와 'TPU(텐서플로유닛)'를 개발하는 등 투트랙 전략을 추진 중이다.

조강원 모레 대표를 포함해 AI 반도체 업계 전문가들은 AI 반도체의 원활한 수급과 개발이 국가·기업의 초거대 AI 역량을 가를 것이라고 진단했다. 한때 미국을 무서운 속도로 추격하던 중국의 초거대 AI 역량이 지난해 3분기 바이든 정부의 AI 반도체 수출 규제로 한풀 꺾인 게 그 증거다. 바이든 정부는 중국의 AI 굴기에 대응하기 위해 엔비디아가 (AI 반도체로 전환할 수 있는 게임용 GPU를 포함해) 고성능 AI 반도체를 중국 정부와 기업에 수출하는 것을 금지했다. 당시 전체 매출에서 중국 비중이 58%에 달하던 엔비디아 주가도 급락했다. 

현재 국내에서 엔비디아 AI 반도체를 가장 많이 확보한 곳은 KT 계열사인 KT클라우드다. KT의 AI 반도체팜에는 AI 반도체가 수천 장 있는 것으로 알려졌다. 챗GPT에 맞설 수 있는 초거대 AI를 학습·추론하기 위한 최소한의 조건을 갖춘 것이다. KT는 AI 반도체 병렬처리기술을 갖춘 국내 스타트업인 모레와 협력해 AI 반도체팜 규모를 지속해서 확대할 계획이다. 네이버클라우드도 하이퍼클로바 추론과 외부 서비스를 위한 AI 반도체팜을 갖추고 있다. 

다만 국가 전략 자산에 준하는 AI 반도체 수급을 미국 기업인 엔비디아에만 기댈 수는 없는 노릇이다. 특히 엔비디아의 AI 반도체는 태생이 GPU라 AI 모델 추론 시 과도하게 전력을 소모하는 약점이 있다. 데이터센터 전력 소모가 급증하는 주범으로 꼽힐 정도다. 이에 정부와 국내 반도체 기업들은 자체 AI 반도체 개발에 많은 투자를 하며 탈(脫)엔비디아와 전력 저감(탄소중립) 기치를 내걸고 있다.

삼성전자는 2019년 독자적인 AI 반도체 개발을 위해 2030년까지 관련 인력을 10배 이상 확충한다는 계획을 밝힌 바 있다. 당시에는 스마트폰 등에 탑재될 에지용 AI 반도체 개발에 집중했지만 지난해 12월에는 네이버와 협력해 데이터센터용 AI 반도체를 개발한다는 계획을 공개했다.

SKT와 SK하이닉스는 자회사 사피온을 통해 엔비디아에 준하는 성능의 AI 반도체를 개발했다. 현재는 SK하이닉스 HBM3 메모리를 탑재해 학습과 추론을 모두 할 수 있는 차세대 AI 반도체를 개발 중이다. 자체 AI 반도체 병렬처리기술도 개발함으로써 엔비디아의 경쟁자가 되겠다는 확실한 목표를 제시했다.

KT와 KT클라우드는 AI 반도체 스타트업 리벨리온과 협력해 초거대 AI를 실행할 수 있는 AI 반도체팜을 만들고 국내를 넘어 동남아 시장을 공략한다는 계획을 밝혔다. 네이버도 AI 반도체 스타트업 퓨리오사AI에 투자한 데 이어 삼성전자와 협력해 독자 AI 반도체 개발에 나섰다.

정부는 2030년까지 예산 1조원을 투자해 AI 반도체 기업을 지원하고 관련 석·박사급 인력을 양성한다. 정부의 AI 반도체 지원은 초거대 AI 학습 능력과 직결된 차세대 메모리 'PIM(Processing In Memory)' 기술 확보와 전력 저감에 맞춰져 있다. 올해 상반기 중에는 광주광역시에 디지털플랫폼정부용 초거대 AI를 실행하기 위한  'K-AI 반도체팜' 구축에도 나선다.