CPU·GPU·NPU의 차이: 설계 사상·연산기·데이터 타입·전력 효율 비교

CPU는 무엇이든 실행할 수 있는 범용 프로세서로, 소수의 복잡한 코어로 하나의 처리를 빨리 끝냅니다. GPU는 다수의 연산기로 대량의 데이터를 병렬 처리하며, 그래픽스나 AI 학습 등 폭넓은 병렬 계산에 사용됩니다. NPU는 신경망 계산의 대부분을 차지하는 행렬 곱셈-누산 연산에 특화된 전용 회로로, INT8 등 낮은 정밀도의 연산기를 다수 배치하고 데이터를 칩 내 메모리에서 재사용함으로써 추론을 매우 높은 전력 효율로 수행합니다. 그 대신 지원하는 연산 이외에는 약합니다.

비교 항목CPUGPUNPU
설계 사상범용·저지연. 하나의 처리를 가능한 한 빨리 끝냄고스루풋. 대량의 병렬 계산을 한꺼번에 처리함신경망 연산(주로 추론)에 특화해 전력당 성능을 높임
연산기 구성복잡한 코어가 수 개~수백 개. 각 코어에 SIMD 연산기단순한 연산기가 수천 개. 행렬 연산 유닛을 가진 것도 많음곱셈-누산 연산기의 큰 어레이(시스톨릭 어레이 등)와 활성화 함수 등을 위한 벡터 연산기
제어 방식명령마다 분기 예측이나 투기적 실행(아웃 오브 오더)을 수행함다수의 스레드를 전환해 메모리 대기 시간을 숨김대부분 컴파일러가 미리 정한 데이터 흐름에 따라 동작하며, 명령마다의 제어는 적음
잘하는 처리분기가 많은 처리, OS, 애플리케이션 로직그래픽스, AI 학습과 추론, 과학기술 계산합성곱이나 행렬 곱을 중심으로 하는 AI 추론
메모리큰 캐시와 DDR 등의 메인 메모리GDDR이나 HBM 등의 고대역폭 메모리칩 내 SRAM 버퍼에서 가중치나 중간 데이터를 재사용함. SoC 내장형은 CPU와 메인 메모리를 공유
주요 데이터 타입FP64·FP32와 정수를 중심으로 거의 모두FP32·FP16·BF16이 중심. 학습용으로 FP8 등도INT8·INT4나 FP16 등 낮은 정밀도가 중심
성능 표기클록 주파수, 코어 수, IPCFLOPS(TFLOPS 등)TOPS(대부분 INT8로 센 이론상 최댓값)
AI 추론에서의 전력 효율낮음높음가장 높음. CPU보다 한 자릿수 이상 높은 경우가 있음
유연성가장 높음. 어떤 프로그램이든 동작함높음. 병렬화할 수 있는 처리라면 폭넓게 사용할 수 있음낮음. 지원하지 않는 연산은 CPU나 GPU로 되돌려 실행함
프로그래밍일반 프로그래밍 언어와 컴파일러GPU용 병렬 프로그래밍 모델로 커널을 작성함학습된 모델을 AI 컴파일러나 추론 런타임으로 변환해 실행함. 직접 프로그래밍하는 일은 적음
탑재 위치모든 컴퓨터단독 카드, 또는 SoC에 내장스마트폰이나 PC의 SoC에 내장되는 경우가 많음. 데이터센터용 전용 칩도 있음

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

CPU
분기가 많고 순차적인 처리나 시스템 전체의 제어. 작은 모델이나 NPU가 지원하지 않는 연산의 실행에도 사용합니다.
GPU
AI 학습이나 큰 모델의 추론, 그래픽스, 과학기술 계산 등 정밀도 선택지와 유연성이 필요한 대규모 병렬 계산.
NPU
스마트폰이나 PC에서 사진 보정, 음성 인식, 번역 등의 추론을 배터리 소모 없이 상시 동작시키고 싶을 때. 모델을 양자화해 NPU가 잘하는 INT8 등으로 실행합니다.

자주 묻는 질문

NPU와 GPU는 무엇이 다른가요?

GPU는 다수의 연산기를 프로그램으로 유연하게 사용할 수 있는 범용 병렬 프로세서로, 그래픽스나 학습에도 사용할 수 있습니다. NPU는 신경망 추론의 곱셈-누산 연산에 초점을 맞추고 낮은 정밀도의 연산기와 칩 내 메모리를 중심으로 만들어졌으므로, 지원하는 처리에서는 전력 효율이 높은 반면 그 밖의 처리에는 약합니다.

NPU의 전력 효율이 높은 이유는 무엇인가요?

CPU는 명령마다 분기 예측이나 명령 재배열 등 많은 회로를 동작시키지만, NPU는 그 대부분을 생략하고 INT8 등의 작은 곱셈-누산 연산기를 다수 배치하기 때문입니다. 또한 가중치나 중간 데이터를 칩 내 SRAM에서 재사용해, 에너지를 많이 쓰는 외부 메모리 접근을 줄이고 있습니다.

NPU로 학습도 할 수 있나요?

스마트폰이나 PC의 NPU는 주로 추론용으로 만들어져 있습니다. 학습에는 기울기 계산이나 높은 정밀도가 필요하므로, GPU나 데이터센터용 학습 가속기가 사용되는 것이 일반적입니다.

TOPS 수치가 큰 NPU일수록 빠른가요?

꼭 그렇지는 않습니다. TOPS는 대부분 INT8 등으로 센 이론상 최댓값이며, 희소한 데이터를 전제로 한 값인 경우도 있습니다. 실제 속도는 메모리 대역폭, 연산기 이용률, 모델의 연산을 NPU가 지원하는지 여부에 따라 크게 달라집니다.

이해도 확인

스마트폰 SoC에 탑재되는 NPU가 AI 추론에서 CPU보다 전력 효율이 높은 주된 이유는 무엇인가?

  1. ANPU는 전기를 쓰지 않고 빛으로 계산하기 때문
  2. BINT8 등 낮은 정밀도의 곱셈-덧셈 연산기를 다수 배치하고 AI 계산에 필요 없는 범용 회로를 생략했기 때문
  3. CNPU는 CPU보다 반드시 높은 클럭으로 동작하기 때문
정답과 해설 보기

정답: B. INT8 등 낮은 정밀도의 곱셈-덧셈 연산기를 다수 배치하고 AI 계산에 필요 없는 범용 회로를 생략했기 때문

CPU는 무엇이든 실행할 수 있도록 분기 예측이나 명령 재배열 등 명령마다 많은 회로를 동작시킵니다. NPU는 행렬의 곱셈-덧셈에 특화되어 낮은 정밀도의 연산기를 다수 배치하고 데이터를 칩 안에서 재사용하도록 만들어져 있으므로, 연산 1회에 드는 에너지가 자릿수 단위로 작아집니다. 그 대신 AI 이외의 처리나 지원하지 않는 연산에는 맞지 않습니다.

AI 추론 처리를 고속·저전력으로 수행하기 위해 스마트폰용 SoC 등에 탑재되는 전용 회로는?

  1. APLL(위상 동기 회로)
  2. BAD 컨버터
  3. CNPU(신경망 처리 장치)
정답과 해설 보기

정답: C. NPU(신경망 처리 장치)

NPU는 신경망 계산의 대부분을 차지하는 곱셈-누산 연산을 8비트 이하의 정수 등 낮은 정밀도로 대량 병렬 처리하는 전용 회로입니다. 범용 CPU보다 전력당 성능이 한 자릿수 이상 높아, 사진 보정, 음성 인식, 번역 등을 스마트폰 안에서 처리할 수 있습니다. 성능은 TOPS(초당 조 회 연산)로 나타내며, PC용 SoC에도 탑재가 확산되고 있습니다.

AI용 가속기 등에서 다수의 곱셈-누산 연산기를 격자 모양으로 배치하고 데이터를 이웃 연산기로 차례로 흘려보내며 행렬 곱을 계산하는 구성은?

  1. A시스톨릭 어레이
  2. B크로스바 스위치
  3. C링 버퍼
정답과 해설 보기

정답: A. 시스톨릭 어레이

시스톨릭 어레이는 곱셈-누산 연산기(MAC)를 2차원으로 배치하고 데이터를 이웃 연산기로 규칙적으로 보내며 계산하는 구성으로, 혈액을 내보내는 심장의 수축(시스톨)에 빗댄 이름입니다. 한 번 읽은 데이터를 많은 연산기에서 재사용할 수 있어 메모리 접근을 줄이고 행렬 연산을 효율적으로 수행할 수 있습니다. Google의 TPU는 128×128 같은 큰 어레이를 갖추고 있습니다.

  1. AI용 가속기에서 사용되는 시스톨릭 어레이가 행렬 곱을 효율적으로 계산할 수 있는 주된 이유는 무엇인가?
  2. AI 추론에서 가중치를 FP32에서 INT8로 변환(양자화)하는 주된 이점은 무엇입니까?
  3. AI 가속기의 성능으로 제시되는 '○○ TOPS'라는 값에 대해 주의할 점으로 올바른 것은 무엇인가?

AI 하드웨어·소프트웨어 스택 문제 풀기

주요 용어 설명

NPU(뉴럴 프로세싱 유닛)
AI 신경망의 추론 처리를 고속·저전력으로 수행하기 위한 전용 회로. 스마트폰과 PC의 SoC에 탑재된다.
GPU
Graphics Processing Unit의 약어. 단순한 연산기를 다수 갖추고 대량의 데이터를 병렬로 처리하는 프로세서. 영상 처리 외에 AI의 학습과 추론에 널리 사용된다.
시스톨릭 어레이(Systolic Array)
다수의 곱셈-누산 연산기를 격자 모양으로 배열하고 데이터를 이웃 연산기로 차례로 흘리며 행렬 곱을 계산하는 구성. AI용 가속기에 사용된다.
INT8
8비트 부호 있는 정수(−128~127). AI 추론에서 가중치와 활성화 값에 스케일을 곱해 INT8로 변환(양자화)하면 연산과 메모리가 크게 줄고 정수 소형 회로에서 고속으로 처리할 수 있다.
TOPS
초당 연산 횟수를 조(Tera) 단위로 나타낸 AI 가속기의 성능 지표. 대부분 낮은 정밀도로 센 이론상 최댓값이다.

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