Space-CIM: 열 제약이 있는 우주 플랫폼을 위한 Compute-In-Memory 가속기 구현

인공지능 (AI)으로부터 발생하는 컴퓨팅 수요의 급격한 성장은 데이터 센터 건설의 대대적인 급증을 불러왔으며, 이는 에너지 및 지속 가능성 위기를 가속화하고 있습니다. 외계 우주의 풍부한 태양 에너지와 최근 급격히 감소한 우주 발사 비용에 힘입어, 궤도 데이터 센터 (orbital data centers)가 미래 AI 컴퓨팅 인프라 확장을 위한 잠재적인 경로로 부상하고 있습니다. 진공 상태의 차가운 배경은 냉각에 유리해 보이지만, 대류 (convection) 없이 우주에서 작동하는 컴퓨팅 시스템은 궁극적으로 복사 냉각 (radiative cooling)에 의존하며, 이는 넓은 면적의 방열기 (radiators)를 필요로 합니다. 이러한 열 관리 (thermal management)의 한계는 표준 액체/공기 냉각 컴퓨터를 우주에 배치하는 데 있어 상당한 도전 과제가 됩니다. 본 연구에서는 우주의 열 제약이 고대역폭 메모리 (HBM)를 갖춘 그래픽 처리 장치 (GPU)와 새롭게 등장하는 Compute-In-Memory (CIM) 가속기 모두에 미치는 영향을 조사합니다. 우리는 허용 가능한 시스템 TOPS (terra-operations per second)를 우주의 실제 방열기 냉각 용량과 직접 연결하는 방열기 루프 내 공동 설계 (radiator-in-the-loop co-design) 방법론을 개발합니다. 우리의 열 시뮬레이션 결과에 따르면, 별도로 위치한 GPU 다이 (die)와 HBM은 제한된 방열기 용량 하에서 심각한 열 핫스팟 (thermal hotspots)을 생성하여 GPU의 열 스로틀링 (thermal throttling)을 유발합니다. 반면, CIM 가속기는 훨씬 더 균일한 열 분포를 보이며, 광범위한 방열기 예산 범위 내에서 TOPS/W 측면에서 지속적으로 GPU보다 우수한 성능을 나타냅니다. 우리는 다양한 AI 워크로드에 걸쳐 CIM과 GPU의 성능을 체계적으로 평가하였으며, CIM이 현실적인 열 제약 조건 하의 우주 배치에 있어 확대된 이점을 가짐을 입증하였습니다.