사진에서 3차원 정보를 추론하는 인공지능 반도체 IP(지식재산권) 세계 최초 개발됐다
사진에서 3차원 정보를 추론하는 인공지능 반도체 IP(지식재산권) 세계 최초 개발됐다
  • 함예솔
  • 승인 2022.12.29 23:22
  • 조회수 2184
  • 댓글 0
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KAIST 전기및전자공학부 유회준 교수가 이끄는 PIM 반도체 설계 연구센터(AI-PIM)가 유수 학계에서 인정한 5종의 최첨단 인공지능 반도체 IP(지식재산권)를 개발했습니다.

 

대표적으로 심층신경망 추론 기술 및 센서 퓨전[1] 기술을 통해 사진으로부터 3차원 공간정보 추출하고 물체를 인식해 처리하는 인공지능(AI) 칩은 KAIST에서 세계 최초로 개발해 SRAM PIM[2] 시스템에 필요한 기술을 IP(지식재산권)화 한 것입니다.

[1] 센서 퓨전 : 카메라, 거리센서 등의 각종 센서로부터 얻은 데이터를 결합하여보다 정확한 데이터를 얻는 방식

[2] SRAM PIM : 기존 메모리 SRAM과 DRAM 중 SRAM에 연산기를 결합한 PIM반도체

칩(Chip). 3차원 공간정보와 물체인식을 실시간 저전력 처리하여 모바일에서 구현할 수 있도록 개발된 프로세서 칩. 출처 : KAIST
칩(Chip). 3차원 공간정보와 물체인식을 실시간 저전력 처리하여 모바일에서 구현할 수 있도록 개발된 프로세서 칩. 출처 : KAIST

이 IP는 올해 2월 20일부터 28일까지 개최된 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 현장 시연을 통해 많은 주목을 받았었는데요. 이를 누구라도 편리하게 활용할 수 있도록 한 것이다. (웹사이트 : www.ai-pim.org)

KAIST PIM 반도체 설계연구센터는 해당 IP를 포함해 ADC[3], PLL[4] 등 총 5가지의 PIM IP를 확보했으며, 지난 28일 웹사이트를 오픈해 연구자들이 공유할 수 있는 환경을 제공합니다. 

[3] ADC(Analog to Digital Converter) : 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환시키는 회로

[4] PLL(Phase-Locked Loop) : 내부 신호의 위상과 외부 신호의 위상을 동기화할 수 있도록 설계된 회로

 

기존 물체 인식 인공지능 반도체는 사진과 같은 2차원 정보를 인식하는 `사진인식기술'에 불과했죠. 하지만 현실 세계의 물체들은 3차원 구조물이기 때문에 3차원 공간정보를 활용해야만 정확한 `물체인식'이 가능합니다.

 

3차원 공간정보는 사진과 같은 2차원 정보에 거리정보를 포함시켜 실제 3차원 공간을 표현한 것인데요. 3차원 공간정보에 물체를 식별해 해당 물체의 위치 및 각도를 추적하는 3차원 물체인식 기술입니다. 이는 자율주행, 자동화 기술, 개인용 증강현실 (AR)과 가상현실(VR) 등과 같은 3D 어플리케이션에서 사용하는 핵심기술입니다.

 

기존 ToF 센서[5]를 활용해 센서 뷰 내에 있는 모든 물체에 대한 정밀한 3차원 정보를 추출하는 것은 전력 소모가 매우 크기 때문에 배터리 기반 모바일 장치(스마트폰, 태블릿 등)에서는 사용하기 어렵습니다. 

[5] ToF 센서 : 3차원 공간정보를 추출하는 Time-of-Flight 센서로, 레이저를 방출하고 반사된 레이저가 검출되는 시간을 측정하여 거리를 계산, 대표적인 센서로 3D 라이다 (LiDAR) 센서가 있음

 

또한, ToF 센서는 특정 측정 환경에서 3차원 정보가 손실되는 문제와 데이터 전처리 과정에 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있는데요. 3차원 물체인식 기술은 데이터가 복잡해 기존 인공지능 2차원 사진인식 가속 프로세서로 처리하기 어렵습니다. 이는 3차원 포인트 클라우드 데이터를 어떻게 선택하고 그룹화하느냐에 따라 메모리 접근량이 달라집니다. 따라서 3차원 포인트 클라우드 기반 인공지능 추론은 연산 능력이 제한적이고 메모리가 작은 모바일 장치에서는 소프트웨어만으로 구현할 수 없었습니다.

3차원 공간정보 및 물체인식 시스템. 3차원 공간정보 및 물체인식 시스템을 통해 DSPU 칩의 성능을 확인해 볼 수 있다. 사용자가 물체를 움직이면 실시간으로 움직이는 물체의 3차원 공간정보를 보여주고 3차원 물체인식 결과를 보여준다. 아래는 해당 시스템의 예를 보여 주고 있다. 출처 : KAIST
3차원 공간정보 및 물체인식 시스템. 3차원 공간정보 및 물체인식 시스템을 통해 DSPU 칩의 성능을 확인해 볼 수 있다. 사용자가 물체를 움직이면 실시간으로 움직이는 물체의 3차원 공간정보를 보여주고 3차원 물체인식 결과를 보여준다. 아래는 해당 시스템의 예를 보여 주고 있다. 출처 : KAIST

이에 연구팀은 카메라와 저전력 거리센서 (64픽셀)를 사용하여 3차원 공간정보를 생성했습니다. 모바일에서도 3차원 어플리케이션 구현이 가능한 반도체 (DSPU: Depth Signal Processing Unit)를 개발함으로써 인공지능 반도체의 활용범위를 넓혔는데요.

3차원 공간정보 및 물체인식 시스템 시연 모습. 출처 : KAIST
3차원 공간정보 및 물체인식 시스템 시연 모습. 출처 : KAIST

모바일 기기에서 저전력 센서를 활용한 3차원 정보 처리 시스템을 구동하면서, 실시간 심층신경망 추론과 센서 퓨전 기술을 가속하기 위해서는 다양한 핵심기술이 필요합니다. 인공지능 핵심기술이 적용된 DSPU는 단순 ToF센서에 의존했던 3차원 물체인식 가속기 반도체 대비 63.4% 낮춘 전력 소모와 53.6% 낮춘 지연시간을 달성했습니다.

 

PIM반도체 설계연구센터(AI-PIM)의 소장인 유회준 교수는 “이번 연구는 저가의 거리센서와 카메라를 융합해 3차원 데이터 처리를 가능하게 한 인공지능 반도체를 IP화했다는 점에서 의미가 크며, 모바일 기기에서 인공지능 활용 영역을 크게 넓혀 다양한 분야에 응용 및 기술이전을 기대하고 있다”고 연구의 의의를 설명했습니다.

 

논문명 : DSPU: A 281.6mW Real-Time Depth Signal Processing Unit for Deep Learning-Based Dense RGB-D Data Acquisition with Depth Fusion and 3D Bounding Box Extraction in Mobile Platforms


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