올해는 프로그래밍 가능한 하드웨어라는 새로운 개념을 처음 도입한 FPGA(Field-Programmable Gate Array)가 세상에 나온 지 40주년이 되는 해다.
‘소프트웨어처럼 유연한 하드웨어’라는 비전을 품고 탄생한 FPGA는 재프로그래밍이 가능한 구조를 통해 반도체 설계의 패러다임을 바꿨다. 개발자들은 사양이나 요구 사항이 바뀌더라도 칩의 기능을 재정의할 수 있게 되었고, 이는 제품 개발 속도를 높이며 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 중심이던 시장에 강력한 대안을 제시했다.
FPGA는 반도체 산업에 지대한 영향을 미쳤다. 40년간 30억 개 이상의 FPGA와 적응형 SoC(System-on-Chip)를 7,000곳이 넘는 고객사에 공급했으며, 연속 25년 동안 프로그래머블 로직 시장 점유율 1위를 지켜왔다. 이러한 성장세는 FPGA의 유연성과 빠른 제품화 주기에 기반하고 있으며, AMD(구 자일링스)의 기술 리더십이 시장에서 견고한 입지를 구축하는 데 핵심 역할을 해왔다.
FPGA는 자일링스(Xilinx, 현재 AMD의 자회사) 공동 창립자인 고(故) 로스 프리먼(Ross Freeman)의 아이디어에서 출발했다. 그는 전통적 ASIC 설계의 한계를 넘어, 언제든 설계 변경이 가능한 유연한 칩을 만들고자 했다. FPGA는 하드웨어 개발의 방식 자체를 바꾸어, 엔지니어가 빠르게 맞춤형 칩을 설계하고 개발할 수 있는 환경을 제공했다. 또한 고비용의 전용 마스크 제작을 필요로 하지 않아 팹리스(fabless) 모델을 가능하게 했고, 이는 반도체 산업 구조에 근본적인 변화를 가져왔다.
1985년 세계 최초 상업용 FPGA인 XC2064 출시 이후 FPGA는 전자 산업 전반에 깊숙이 침투했다. 자동차, 통신, 로봇, 우주, 의료, 스마트 공장, 데이터 센터에 이르기까지 광범위한 분야에서 FPGA 기술이 활용되고 있으며, 적응형 SoC 및 SOM(System-on-Module) 솔루션으로 그 응용 범위는 계속 확장되고 있다.
최초의 XC2064는 85,000개의 트랜지스터와 64개의 로직 블록을 갖췄지만, 오늘날 AMD의 버설 프리미엄(Versal Premium) VP1902는 1,380억 개의 트랜지스터, 1,850만 개의 로직 셀, 2,654개의 I/O 블록, 6,864개의 DSP 엔진을 포함하며, 메모리, 보안, 인터페이스 IP까지 아우르는 초대형 시스템을 구현하고 있다.
FPGA의 진화는 꾸준히 혁신을 거듭 해왔다. 주요 이정표를 살펴보면 다음과 같다. 1985년 XC2064가 등장하며 FPGA 시장이 개화했고, 1990년대에는 XC4000과 버텍스(Virtex) 시리즈로 무선 인프라 분야를 선도했다. 1999년에는 스파르탄(Spartan) 제품군으로 비용 효율적 대량 생산 시장을 공략했으며, 2001년에는 최초로 SerDes 통합 FPGA를 출시했다. 2011년 버텍스-7 2000T는 2.5D 통합 기술(CoWoS)을 적용해 HPC 시장을 이끌었고, 2012년에는 Arm CPU를 FPGA에 통합한 징크(Zynq) 시리즈가 등장했다.
소프트웨어 개발자 접근성을 높이기 위한 비바도(Vivado) 디자인 슈트와 AI 추론을 가속화하는 비티스(Vitis) 통합 소프트웨어 플랫폼이 출시되면서 FPGA 개발 환경도 크게 진화했다. 최근에는 2세대 버설 AI 엣지 시리즈와 스파르탄 울트라스케일 플러스(Spartan UltraScale+) 제품군을 선보이며, 엣지 AI 및 I/O 집약형 애플리케이션에 최적화된 솔루션을 제공하고 있다.
현재 대부분의 AI는 데이터 센터 중심으로 운영되지만, 엣지에서도 AI 처리 수요가 빠르게 증가하고 있다. AMD의 FPGA 및 적응형 SoC는 센서 데이터를 실시간 처리하고 AI 추론을 가속화하는 핵심 기술로 자리잡았다.
구체적인 적용 사례를 보면, NASA의 화성 로버는 AMD 버텍스 FPGA를 통해 이미지 탐지 및 정합, 불필요한 데이터 필터링을 수행하고 있으며, 스바루의 차세대 ADAS 시스템 ‘아이사이트’에도 AMD 버설 AI 엣지 SoC가 적용됐다. SICK의 공장 자동화, 래드멘티스의 실시간 양식업 AI 추론, JR 규슈의 AI 기반 선로 검사, 클라리우스의 휴대용 초음파 장치 등 다양한 산업군에서 AMD의 적응형 컴퓨팅 솔루션이 실제 가치를 창출하고 있다.
향후 FPGA 기반 적응형 컴퓨팅 기술은 자율주행, 로봇공학, 산업 자동화, 6G 네트워크, 기후 변화 대응, 신약 개발, 우주 탐사 등 차세대 기술의 핵심 인프라로 진화할 전망이다. AMD는 지속적인 기술 투자와 포트폴리오 확장을 통해 FPGA의 유산을 계승하고 새로운 시장 기회를 창출해 나갈 계획이다.
FPGA 40주년은 단순한 기념일이 아니다. 이는 지난 40년간 혁신의 역사를 축적해온 여정이자, 앞으로 펼쳐질 차세대 컴퓨팅 시대를 향한 출발점이다.
헬로티 서재창 기자 |
