OpenAI에서 chatGPT를 공개한 후부터 LLM이 각광을 받으면서 NVDIA의 GPU가 품귀현상으로 다들 못구해서 난리인 이 지금(사실 OpenAI전부터 코인 덕분이더라도 GPU는 잘 팔리고 있기는 했습니다.), 꼭 전력도 많이 사용하고 제때 구하기도 힘든 GPU써서 LLM을 돌려야 겠냐라는 생각을 누가 하지 않았을까요?
행렬 연산을 해야하는 작업이라서 어쩔 수 없다라는 생각들이었는데 이것을 보기좋게 해결한 분들이 나왔씁니다. 아직 arvix에 떠돌고 있기는 한데 상업적으로 꽤나 쏠쏠한 내용이라서 성능에서 차이가 없는데 CPU에서 가능하다면 많이 활용되지 않을까합니다. 제목은 Scalable MatMul-free Language Modeling으로 기존에 행렬 곱산 연산을 더하기 연산으로 메모리 사용량과 전력량을 획기적으로 줄였고, 꼭 GPU가 아니어도 성능저하없이 LLM을 사용할 수 있는 것을 증명했습니다.
나중에 기회가되면 한번 테스트를... (할 수 있다면요)
DOI: 10.48550/arXiv.2406.02528
clova-x
# MatMul-free Language Models: 효율성과 성능의 혁신
## 연구 배경
현대의 대규모 언어 모델(Large Language Models, 이하 LLMs)은 주로 행렬 곱셈(MatMul) 연산에 의존하는데, 이는 계산 비용과 메모리 접근 시간을 많이 소모합니다. 특히, 이러한 연산은 GPU에서 최적화되지만, 여전히 자원 집약적이고 병목 현상을 일으킬 수 있습니다. 따라서, MatMul을 제거하면서도 성능을 유지할 수 있는 방법이 필요했습니다.
## 연구 목적
이 연구의 목적은 MatMul 연산을 제거한 언어 모델을 개발하여 메모리 사용량을 줄이고, 뉴로모픽 하드웨어에서의 효율성을 높이는 것입니다. 이를 위해 덧셈과Hadamard곱연산을활용하여MatMul을대체하는방법을제안합니다.
## 연구 방법
연구팀은 MatMul 연산을 대체하기 위해 다음과 같은 방법을 사용했습니다:
1. **Dense Layer**: 텐서 가중치를ternary(세 가지 값: −1, 0, +1)로 변환하여 덧셈 연산만을 사용하도록 했습니다.
2. **Self-Attention Mechanism**: Gated Recurrent Unit(GRU)을 최적화하여element-wise곱연산만을사용하도록했습니다.
이러한 방식으로 모든 MatMul 연산을 제거하면서도Transformer모델과비슷한성능을유지할수있었습니다.
## 연구 결과
실험 결과, MatMul-free 언어 모델은 기존의 Transformer 모델과 비교하여 성능 저하 없이 메모리 사용량을 크게 줄일 수 있었습니다. 특히, 뉴로모픽 하드웨어인인텔의Loihi 2플랫폼에서높은throughput과에너지효율성을달성했습니다. 또한, 다양한언어작업에서경쟁력있는성능을발휘하였으며,제로샷학습에도효과적이었습니다.
## 고찰
이 연구는 LLMs의경량화와고성능화를위한새로운방향을제시합니다. MatMul-free 아키텍처는뉴로모픽컴퓨팅패러다임에자연스럽게적합하며,기존하드웨어보다훨씬더효율적입니다. 이는대규모언어모델링작업,특히추론단계에서매우유용합니다.
## 의의와 시사점
MatMul-free 언어 모델은 다음과 같은 의의를 가집니다:
1. **메모리 절약**: MatMul 연산을 제거함으로써 메모리 사용량을 크게 줄여, 더 큰 모델을 효율적으로 학습하고 실행할 수 있게 됩니다.
2. **뉴로모픽 하드웨어와의 호환성**: 뉴로모픽 하드웨어에서 높은 효율성을 보여주며, 이는 향후 더 작고 빠르며 에너지 효율적인 언어 모델의 개발 가능성을 열어줍니다.
3. **다양한 응용 분야**: 다양한 언어 작업에서 우수한 성능을 발휘하므로, 여러 도메인에서 유용하게 사용될 수 있습니다.
## 결론
MatMul-free 언어 모델은 기존의 Transformer 모델과 비교하여 성능 저하 없이 메모리 사용량을 크게 줄이고, 뉴로모픽 하드웨어에서의 효율성을 높였습니다. 이는 대규모 언어 모델링 작업뿐만 아니라, 다양한 응용 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것입니다. 이러한 연구는 앞으로의 언어 모델 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.
gemini
본 요약은 업로드하신 논문 **"Scalable MatMul-free Language Modeling" (2025)**의 내용을 바탕으로, 전문 지식이 없는 일반 성인 독자들이 이해하기 쉽게 블로그 포스팅 형식으로 작성되었습니다.
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# [IT/AI] 드디어 '곱셈' 없이 말하는 AI가 나왔다? 거대 언어 모델(LLM)의 혁명
최근 챗GPT 같은 인공지능(AI)이 일상의 필수가 되었지만, 이들을 유지하는 데는 엄청난 비용과 전기가 소모됩니다. 그 핵심 원인은 바로 AI의 두뇌 속에서 쉼 없이 일어나는 '행렬 곱셈(MatMul)' 연산 때문입니다. 그런데 최근, 이 **'곱셈'을 아예 없애버리고도 똑똑하게 작동하는 새로운 AI 모델**이 발표되어 학계와 산업계의 주목을 받고 있습니다.
### 1. 연구 배경: AI는 왜 그렇게 '전기 먹는 하마'가 되었을까?
현재의 거대 언어 모델(LLM)은 '트랜스포머(Transformer)'라는 구조를 기반으로 합니다. 이 구조의 핵심은 문장 속 단어 간의 관계를 계산하는 것인데, 이 과정에서 **'행렬 곱셈(Matrix Multiplication, MatMul)'**이라는 복잡한 수학 연산이 전체 계산량의 거의 대부분을 차지합니다. 문제는 이 연산이 너무 무겁고 메모리를 많이 잡아먹어, 값비싼 고성능 GPU 없이는 AI를 돌리기 힘들다는 점입니다.
### 2. 연구 목적: "곱셈 없이도 AI가 가능할까?"
연구진은 한 가지 대담한 질문을 던졌습니다. **"성능을 유지하면서 AI 모델에서 모든 곱셈 연산을 제거할 수 있을까?"**. 만약 이것이 가능하다면, 훨씬 저렴한 칩에서도 AI를 돌릴 수 있고, 스마트폰 같은 기기 내에서도 초절전형 AI를 구현할 수 있기 때문입니다.
### 3. 연구 방법: 곱셈 대신 '더하기'와 '선택'으로!
연구팀은 기존의 무거운 곱셈 연산을 두 가지 혁신적인 방법으로 대체했습니다.
*
**더하기 연산으로 대체**: AI 모델의 무게를 결정하는 '가중치'를 단순하게 만들어, 복잡한 곱셈 대신 **단순한 덧셈(Addition)**만으로 계산이 가능하게 했습니다.
*
**새로운 기억 방식(MLGRU)**: 문장의 흐름을 파악할 때 사용하는 복잡한 계산 방식을 **'원소별 곱셈'과 '더하기'만 사용하는 방식(MLGRU)**으로 바꿨습니다. 이는 마치 뇌가 정보를 처리하는 방식과 더 유사합니다.
*
**뉴로모픽 칩 활용**: 이 모델의 효율을 극대화하기 위해 인간의 뇌 신경망을 모방한 '로이히 2(Loihi 2)'라는 특수 칩에 모델을 탑재해 성능을 테스트했습니다.
### 4. 연구 결과: 가볍지만 강력한 성능
실험 결과는 놀라웠습니다. 27억 개의 매개변수(Parameter) 규모에서도 기존 AI와 대등한 수준의 언어 처리 능력을 보여주었습니다.
*
**메모리 절감**: 학습 시 메모리 사용량을 **최대 61%까지 줄였고**, 추론(실제 사용) 시에는 **10배 이상 효율적**이었습니다.
*
**압도적 전력 효율**: 특수 칩(뉴로모픽 시스템)에서 작동할 때, 일반적인 GPU보다 **전력 소모는 10배 적으면서 속도는 4배 더 빨랐습니다**.
*
**규모의 경제**: 모델의 크기가 커질수록 기존 모델과의 성능 격차가 줄어들어, 향후 더 큰 모델에서도 충분히 사용 가능하다는 가능성을 증명했습니다.
### 5. 고찰 및 의의: '하드웨어 복권'을 넘어서
그동안 AI는 GPU라는 특정 하드웨어에 최적화된 '곱셈' 연산에만 매달려 왔습니다. 이번 연구는 AI 설계가 특정 하드웨어의 한계에 갇힐 필요가 없음을 보여줍니다. 특히 고가의 장비 없이도 강력한 AI를 구현할 수 있는 **'가볍고 똑똑한 AI(Lightweight LLM)'**의 시대를 여는 중요한 이정표가 될 것입니다.
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### 💡 이 연구가 왜 중요할까요? (결론)
1.
**지속 가능한 AI**: AI 학습과 운영에 드는 막대한 탄소 배출과 전기료 문제를 해결할 수 있는 현실적인 대안을 제시합니다.
2.
**내 손안의 AI (On-Device AI)**: 클라우드 서버를 거치지 않고 우리 스마트폰이나 웨어러블 기기 자체에서 강력한 AI가 돌아갈 수 있는 환경을 만들어줍니다.
3.
**AI 민주화**: 값비싼 GPU 인프라를 갖추지 못한 기업이나 개인도 거대 언어 모델을 연구하고 활용할 수 있는 길을 열어줍니다.
결국 이 연구는 **"AI가 얼마나 더 커질 것인가"**의 경쟁에서 **"AI가 얼마나 더 효율적이고 인간의 뇌를 닮아갈 것인가"**로 패러다임을 전환했다는 점에서 매우 큰 의미가 있습니다.
chatGPT
아래는 업로드하신 논문 **「Scalable MatMul-free Language Modeling」**의 실제 내용을 바탕으로,
**전문 지식이 없는 일반 성인 독자도 이해할 수 있도록 풀어 쓴 블로그용 요약 글**입니다.
형식은 요청하신 대로 **연구 배경 → 목적 → 방법 → 결과 → 고찰 → 의의와 시사점 → 왜 중요한가**의 흐름을 따르며,
논문에서 **직접 얻을 수 있는 핵심 메시지**를 중심으로 구성했습니다.
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## 1. 연구 배경: 왜 “행렬 곱 없는 언어 모델”이 필요한가?
오늘날 ChatGPT나 LLaMA와 같은 대규모 언어 모델(LLM)은 대부분 **트랜스포머(Transformer)** 구조를 사용합니다.
이 구조의 핵심 계산은 **행렬 곱셈(Matrix Multiplication, MatMul)** 입니다.
행렬 곱은 GPU에서 매우 빠르게 계산할 수 있도록 최적화되어 있어, 지난 10여 년간 딥러닝 발전의 중심에 있었습니다. 하지만 동시에 다음과 같은 한계를 낳았습니다.
* **막대한 전력 소모** (훈련·추론 모두)
* **큰 메모리 사용량**
* **고성능 GPU에 대한 강한 의존성**
* 엣지 디바이스나 저전력 환경에서는 사실상 사용 불가
최근에는 모델을 “더 크게” 만드는 방식이 한계에 부딪히면서,
**“꼭 행렬 곱을 써야만 좋은 언어 모델을 만들 수 있을까?”**라는 근본적인 질문이 제기되고 있습니다.
이 논문은 바로 그 질문에 정면으로 도전합니다.
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## 2. 연구 목적: 행렬 곱을 완전히 제거한 LLM은 가능한가?
이 연구의 목표는 매우 명확합니다.
> **행렬 곱 연산을 완전히 제거한 언어 모델을 만들고,
> 그럼에도 불구하고 기존 트랜스포머 수준의 성능과 확장성을 유지할 수 있는지 검증한다.**
기존 연구들에서도
* 가중치를 1비트·3값(−1, 0, +1)으로 줄이거나
* 일부 곱셈을 덧셈으로 대체하려는 시도는 있었습니다.
그러나 대부분은 **어텐션(attention)** 단계에서 여전히 행렬 곱이 필요했습니다.
이 논문은 **어텐션까지 포함해 모든 행렬 곱을 제거**하는 데 성공했다는 점에서 차별성이 있습니다.
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## 3. 연구 방법: 트랜스포머를 어떻게 “곱셈 없이” 재설계했나?
### 1) 핵심 전략 ① 가중치를 3값(ternary)으로 제한
모든 선형층(Dense layer)의 가중치를
**−1, 0, +1 중 하나만 갖도록 제한**합니다.
이렇게 하면 곱셈은 사라지고,
* +1 → 더하기
* −1 → 빼기
* 0 → 무시
로 계산할 수 있습니다. 즉, **곱셈 없이 덧셈만으로 계산**이 가능합니다.
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### 2) 핵심 전략 ② 어텐션을 RNN 기반 구조로 대체
트랜스포머에서 가장 계산량이 큰 부분은 **자기어텐션(Self-Attention)** 입니다.
이 단계는 입력 길이가 길어질수록 행렬 곱 비용이 폭증합니다.
연구진은 이를 **GRU 기반 순환 신경망(RNN)** 구조로 대체했습니다.
* 단, 기존 GRU를 그대로 쓰지 않고
* **행렬 곱을 모두 제거하도록 선형화(linearization)** 하고
* 게이트 연산은 **원소별 곱(element-wise product)** 만 사용하도록 재설계했습니다.
이렇게 만들어진 구조를 논문에서는
**MLGRU (MatMul-free Linear Gated Recurrent Unit)** 라고 부릅니다.
이 MLGRU는:
* 어텐션처럼 문맥 정보를 누적할 수 있고
* 긴 시퀀스도 처리 가능하며
* 계산은 덧셈과 원소별 연산만 사용합니다.
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### 3) 토큰 믹서 + 채널 믹서 구조 유지
중요한 점은, 연구진이 **트랜스포머의 핵심 철학은 유지**했다는 것입니다.
* 토큰 간 정보 결합(Token Mixing) → MLGRU
* 채널 간 정보 결합(Channel Mixing) → 곱셈 없는 GLU 구조
즉, “완전히 다른 모델”이 아니라
**트랜스포머의 기능을 곱셈 없이 구현**한 구조라고 볼 수 있습니다.
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## 4. 연구 결과: 성능은 정말 유지되었는가?
### 1) 모델 규모 확장 실험 (370M → 1.3B → 2.7B)
연구진은 최대 **27억(2.7B) 파라미터**까지 모델을 확장해 실험했습니다.
결과는 인상적입니다.
* 모델이 커질수록
**기존 트랜스포머와의 성능 격차가 점점 줄어듦**
* 손실 함수 기준으로 보면
**확장 추세(scaling law)가 오히려 더 가파름**
이는 이 구조가 **“작은 장난감 모델”이 아니라,
대규모 모델로도 충분히 성장 가능함**을 보여줍니다.
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### 2) 언어 이해 벤치마크 성능
ARC, HellaSwag, WinoGrande, PIQA 등
대표적인 **제로샷 언어 이해 과제**에서:
* 전통적인 Transformer++ 모델과 **거의 동일한 평균 성능**
* 일부 과제에서는 **MatMul-free 모델이 더 높은 점수**
즉, 계산 방식은 훨씬 단순하지만
**언어 이해 능력은 유지**되었습니다.
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### 3) 메모리·속도·에너지 효율
GPU 기준으로:
* **훈련 시 메모리 사용량 최대 61% 감소**
* **추론 시 메모리 사용량 10배 이상 감소**
* 추론 지연(latency)도 크게 감소
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### 4) 뉴로모픽 하드웨어(Loihi 2)에서의 성능
이 모델은 특히 **뉴로모픽 칩**에서 진가를 발휘합니다.
* 토큰 생성 속도: 기존 엣지 GPU 대비 **약 4배**
* 에너지 효율: **토큰당 에너지 10배 이상 절감**
* 저전력(수 와트) 환경에서도 안정적 동작
이는 기존 LLM으로는 거의 불가능했던 결과입니다.
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## 5. 고찰: 이 접근의 한계와 의미
### 한계
* RNN 기반 구조 특성상
**아주 긴 문맥(Long-context)** 처리에서는 불리할 수 있음
* 최신 초거대 모델(수백억 파라미터)과의 직접 비교는 아직 없음
* 하이브리드 구조(Transformer + RNN)가 필요할 가능성
### 그럼에도 불구하고
이 연구는 “속도를 조금 희생하고 성능을 얻는” 방식이 아니라
**계산 패러다임 자체를 바꾸는 접근**이라는 점에서 의미가 큽니다.
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## 6. 의의와 시사점
이 논문이 주는 가장 큰 메시지는 다음과 같습니다.
1. **행렬 곱은 언어 이해의 본질이 아니다**
2. LLM은 **훨씬 단순한 연산만으로도 충분히 작동**할 수 있다
3. 미래의 AI는 “더 큰 GPU”가 아니라
**더 효율적인 구조 + 새로운 하드웨어**로 갈 가능성이 크다
4. 엣지 AI, 의료·웨어러블·로봇 분야에서
**실시간 LLM 활용의 문이 열린다**
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## 7. 이 연구는 왜 중요한가?
이 연구는 단순한 성능 개선 논문이 아닙니다.
**“AI는 반드시 비싸고, 크고, 전기를 많이 먹어야 한다”는 전제를 깨뜨린 연구**입니다.
* 데이터센터 밖에서도
* GPU 없이도
* 인간의 뇌처럼 에너지 효율적으로
언어 모델이 작동할 수 있다는 가능성을 처음으로 **실험적으로 증명**했습니다.
앞으로 AI가 의료, 공공, 개인 기기, 생체 신호 분석 등
**에너지와 비용이 중요한 영역으로 확장될수록**,
이 논문에서 제시한 방향은 점점 더 중요해질 것입니다.
grok
### Scalable MatMul-free Language Modeling: 행렬 곱셈 없는 대형 언어 모델
#### 연구 배경
대형 언어 모델(LLM), 예를 들어 ChatGPT 같은 AI는 행렬 곱셈(MatMul)이라는 계산에 크게 의존합니다. 이 MatMul은 모델의 주된 부분인 어텐션(attention)과 피드포워드 네트워크(FFN)에서 발생하며, 컴퓨터 자원(메모리, 에너지)을 많이 소모합니다. GPU는 MatMul에 최적화되어 있지만, 모델이 커질수록 학습과 실행 비용이 폭증합니다. 기존 연구들은 일부 MatMul을 더 간단한 덧셈으로 대체하려 했으나, 완전 제거는 어려웠습니다. 이 논문은 MatMul을 완전히 없애면서도 성능을 유지하는 방법을 탐구합니다.
#### 연구 목적
목적은 MatMul을 제거한 LLM을 개발해, 10억 파라미터 규모에서도 기존 Transformer 모델과 비슷한 성능을 내는 것입니다. 이를 통해 학습 시 메모리 61% 절감, 추론 시 10배 이상 메모리 절감, 그리고 뉴로모픽(뇌 모방) 하드웨어에서 에너지 효율을 높이는 데 초점을 맞춥니다. 궁극적으로 AI를 더 가볍고 효율적으로 만들어, 모바일 기기나 에지 컴퓨팅에 적합하게 하는 것입니다.
#### 방법
논문은 Transformer의 두 핵심 부분(토큰 믹싱: 어텐션, 채널 믹싱: FFN)을 MatMul 없이 재설계합니다.
- FFN(채널 믹싱): 가중치를 -1, 0, +1 세 값(삼진 가중치)으로 제한해 MatMul을 덧셈과 뺄셈으로 바꿈(BitLinear 레이어). GPU 효율을 위해 RMSNorm(정규화)과 양자화를 한 번에 처리하는 'Fused BitLinear' 개발.
- 어텐션(토큰 믹싱): GRU(게이트드 순환 유닛)를 최적화해 요소별 곱셈(Hadamard product)만 사용. 이는 시퀀스(문장) 의존성을 포착하면서 MatMul을 피함.
- 배포: Intel Loihi 2 뉴로모픽 칩(1,152개 칩 클러스터)에서 모델을 실행. 비동기 처리로 에너지 효율 높임. 양자화(8비트 가중치, 16비트 활성화)로 하드웨어 적합성 확보.
모델 크기는 370M, 1.3B, 2.7B 파라미터로 테스트, 학습 데이터는 100B 토큰 사용.
#### 결과
370M~2.7B 모델에서 Transformer++(기존 최적화 모델)와 비슷한 성능: 예를 들어 2.7B 모델은 ARC-Challenge(29.7% 정확도) 등 벤치마크에서 Transformer++(27.4%)를 앞섬. 평균 정확도 49.9% vs 50.7%. 학습 시 GPU 메모리 61% 줄고 속도 25.6% 빨라짐. 추론 시 메모리 10배 이상 절감(13B 모델: 4.19GB vs 48.5GB). Loihi 2에서 토큰 생성 속도 59.4개/초(기존 GPU 14개/초), 에너지 70.8mJ/토큰(기존 700mJ 이상). 스케일링 분석: MatMul-free 모델 손실 감소가 더 가파름, 10^23 FLOPs(대형 LLM 수준)에서 Transformer 추월 예상.
#### 고찰
삼진 가중치로 MatMul 제거 시 성능 저하가 적고, 모델 크기 커질수록 격차 좁힘. 양자화(W8A16)로 Loihi 2 적합, 하지만 8비트 활성화(W8A8)는 정확도 5% 하락. GPU 최적화(Fused BitLinear)는 배치 크기 클수록 효과적. 뉴로모픽 배포는 희소성(35% 구조적 희소) 활용해 에너지 효율 극대화, 하지만 GPU처럼 대규모 병렬화 어려움.
#### 의의와 시사점
이 접근은 LLM을 뇌처럼 효율적으로 만듦: 에너지 10배 절감으로 모바일/엣지 기기에서 고성능 AI 가능. 기존 모델 재훈련 없이 가벼운 대안 제공, AI 민주화 촉진. 시사점으로는 하드웨어(뉴로모픽)와 소프트웨어(MatMul-free) 결합이 미래 AI 트렌드 될 수 있음.
이 연구가 중요한 이유는 LLM의 고비용 문제를 해결해, 누구나 접근 가능한 AI 시대를 앞당기기 때문입니다. 에너지 절감으로 환경 영향도 줄이고, 새로운 하드웨어 혁신을 유발할 수 있습니다.
NotebookLM
## 인공지능의 '계산 다이어트': 행렬 곱셈 없이 돌아가는 거대언어모델(LLM)의 등장
**참고 논문:** *Scalable MatMul-free Language Modeling* (2024)
최근 챗GPT와 같은 거대언어모델(LLM)은 놀라운 성능을 보여주고 있지만, 이를 유지하기 위해 막대한 연산량과 전력이 소모된다는 치명적인 단점이 있습니다. 이번에 소개해 드릴 논문은 AI 모델의 핵심 연산인 **'행렬 곱셈(MatMul)'을 완전히 제거**하면서도 강력한 성능을 유지하는 혁신적인 모델 설계법을 다루고 있습니다.
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### 1. 연구 배경: AI의 발목을 잡는 '행렬 곱셈'
현재 거의 모든 인공지능 모델은 '행렬 곱셈(Matrix Multiplication, MatMul)'이라는 연산에 절대적으로 의존하고 있습니다. 문제는 이 연산이 AI 모델의 **실행 시간과 메모리 사용량의 대부분을 차지**한다는 점입니다. 지금까지의 딥러닝 발전은 GPU와 같은 하드웨어가 이 행렬 곱셈을 얼마나 빨리 처리하느냐에 달려 있었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 모델이 커질수록 계산 비용이 기하급수적으로 늘어나면서, 더 가볍고 효율적인 차세대 모델에 대한 필요성이 커졌습니다.
### 2. 연구 목적: 행렬 곱셈이 없어도 똑똑할 수 있을까?
본 연구의 목적은 **거대언어모델에서 행렬 곱셈을 완전히 제거(MatMul-free)해도 성능이 유지될 수 있음을 증명**하는 것입니다. 연구진은 모델 크기를 27억 개(2.7B)의 매개변수 수준까지 확장했을 때도 기존의 고성능 트랜스포머(Transformer) 모델과 대등한 성능을 낼 수 있는지, 그리고 이를 통해 얼마나 많은 자원을 아낄 수 있는지 확인하고자 했습니다.
### 3. 연구 방법: 덧셈과 뺄셈으로 바꾸는 마법
연구팀은 행렬 곱셈을 없애기 위해 크게 두 가지 핵심 기술을 도입했습니다.
* **삼진법 가중치(Ternary Weights):** 복잡한 소수점 숫자로 이루어진 가중치를 **-1, 0, +1**이라는 세 가지 정수로만 제한했습니다. 이렇게 하면 복잡한 '곱셈' 연산이 단순히 숫자를 더하거나 빼는 **'덧셈/뺄셈' 연산**으로 바뀌어 계산이 매우 단순해집니다.
* **MLGRU(MatMul-free Linear GRU):** 트랜스포머의 핵심인 '셀프 어텐션(Self-attention)' 기능 역시 행렬 곱셈 덩어리입니다. 연구진은 이를 대신해 행렬 곱셈 없이 요소별 곱(Element-wise product)만으로 정보를 처리하는 **새로운 형태의 순환 신경망(MLGRU)**을 설계하여 적용했습니다.
* **하드웨어 최적화:** 겉으로만 계산이 줄어든 것이 아니라, 실제 하드웨어에서도 빠르게 돌아가도록 알고리즘을 하나로 합치는(Fused) 기법을 사용했습니다.
### 4. 연구 결과: 가벼워진 몸집, 유지되는 지능
* **성능 대등:** 27억 개의 매개변수 규모에서 실험한 결과, 행렬 곱셈이 없는 이 모델은 최신 트랜스포머 모델과 **거의 비슷한 성능**을 보여주었습니다. 특히 모델이 커질수록 성능 차이가 줄어드는 경향을 보였습니다.
* **메모리 획기적 절감:** GPU에서 학습할 때 메모리 사용량을 **최대 61%까지 줄였으며**, 실제로 모델을 사용할 때(추론)는 메모리 소모를 **10배 이상 감소**시켰습니다.
* **저전력 하드웨어에서의 압도적 효율:** 인간의 뇌를 모방한 칩인 **뉴로모픽 칩(Intel Loihi 2)**에서 이 모델을 돌렸을 때, 기존의 엣지 GPU보다 **전력 효율은 10배 높고 처리 속도는 4배 빨랐습니다**.
### 5. 고찰 및 시사점: 미래의 AI는 '뇌'를 닮아간다
이번 연구는 AI 모델이 반드시 비싸고 전기를 많이 먹는 하드웨어에 얽매일 필요가 없음을 시사합니다. 연구진은 '스케일링 법칙(Scaling Law)'을 분석한 결과, 이 모델이 더 커진다면(예: Llama-3 8B 규모) **오히려 기존 트랜스포머 모델보다 더 뛰어난 성능을 낼 수도 있다**는 흥미로운 예측을 내놓았습니다. 이는 복잡한 계산보다 효율적인 구조가 대규모 모델에서 더 중요할 수 있음을 보여줍니다.
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### 💡 이 연구가 왜 중요한가요?
이 연구는 **'AI의 민주화'와 '지속 가능성'** 측면에서 엄청난 가치를 지닙니다.
1. **스마트폰 속의 거대 AI:** 행렬 곱셈을 제거함으로써 값비싼 서버용 GPU 없이도 스마트폰이나 소형 가전기기(Edge device)에서 강력한 AI를 직접 구동할 수 있는 길을 열었습니다.
2. **환경 보호:** 현재 AI 학습과 운영에 들어가는 전력 소모는 환경 문제로 대두되고 있습니다. 전력 효율을 10배 이상 높인 이 기술은 **'친환경 AI'** 시대를 앞당길 수 있습니다.
3. **하드웨어 독립:** 특정 하드웨어(GPU)에 최적화된 기존 방식에서 벗어나, 다양한 저사양 칩에서도 AI가 잘 돌아가게 함으로써 하드웨어 공급 부족 문제 해결에도 기여할 수 있습니다.
**요약하자면:** 이 논문은 AI에게서 '무거운 계산기'를 뺏고 '가벼운 덧셈판'을 쥐어주었더니, 놀랍게도 속도는 훨씬 빨라지고 에너지는 적게 쓰면서 여전히 똑똑했다는 사실을 밝혀낸 것입니다.
**비유하자면:** 수조 원짜리 정밀 부품으로 만든 슈퍼카(기존 LLM) 대신, 단순하지만 효율적인 설계로 연료 효율을 10배 높이면서도 속도는 그대로인 혁신적인 차(MatMul-free LM)를 개발한 것과 같습니다.
Perplexity.ai
이 논문은 “대형 언어모델(LLM)을 행렬 곱(MatMul) 없이 만들 수 있는가?”라는 도전적인 질문에 실제 동작하는 답을 제시합니다. 기존 GPT·Llama 같은 모델이 가장 많이 쓰는 연산인 행렬 곱을 완전히 없애면서도, 수십억 개 파라미터 규모에서 성능을 유지하고, 메모리·속도·에너지 효율을 크게 개선하는 방법을 제안합니다.[1]
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## 연구 배경: 왜 MatMul이 문제인가
- 오늘날 LLM은 대부분 GPU가 가장 잘하는 연산인 “행렬 곱(MatMul)”에 거의 전부를 의존합니다. 예를 들어 Transformer의 **주의(attention)**, **피드포워드(FFN)** 층은 모두 대규모 행렬 곱으로 이뤄져 있고, 이게 연산량과 메모리 사용의 대부분을 차지합니다.[1]
- 그러나 MatMul 중심 구조는 GPU에는 잘 맞지만, 메모리 이동이 많고, 전력 소모가 커서 모바일·엣지 기기나 뇌처럼 에너지 효율이 중요한 환경에는 비효율적입니다.[1]
- 최근 1비트·저비트 양자화(예: BitNet, 1.58bit LLM)가 등장해 계산량을 크게 줄였지만, 여전히 **주의(attention)의 핵심인 Q·K 행렬 곱**은 남아 있어 완전히 MatMul을 없애지는 못했습니다.[1]
이 논문은 “행렬 곱을 완전히 버리고도, 제대로 된 LLM을 만들 수 있는가?”라는 근본적인 문제에 정면으로 답합니다.[1]
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## 연구 목적: 완전 MatMul-free LLM 만들기
논문의 목표는 단순한 “최적화 트릭”이 아니라 아키텍처 차원의 변화입니다.[1]
- 목표 1: **모든 층에서 MatMul을 제거**해도, 수억~수십억 파라미터 규모에서 기존 Transformer와 비슷한 언어 성능을 내는가?[1]
- 목표 2: 이렇게 만든 모델이 **훈련·추론 시 메모리 사용과 지연(latency)을 얼마나 줄일 수 있는가?**[1]
- 목표 3: **GPU가 아닌, 뇌처럼 동작하는 뉴로모픽 칩(Loihi 2)**에 올렸을 때, 기존 GPU 대비 어느 정도의 **에너지 효율·처리량** 이득을 얻을 수 있는가?[1]
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## 방법: MatMul 대신 “더 단순한 연산”으로 바꾸기
### 1. Dense 층: 3값(−1, 0, +1)만 쓰는 BitLinear
일반적인 완전연결(Dense) 층은 “입력 벡터 × 실수 행렬(가중치)”라는 MatMul 구조입니다.[1]
저자들은 여기서 **가중치 값을 −1, 0, +1 세 값으로 제한한 ‘3값(ternary) 가중치’**를 사용합니다.[1]
- 가중치가 1이면 그냥 더하기, −1이면 빼기, 0이면 무시하면 되므로, **곱셈이 사라지고 덧셈/뺄셈 누적만 남습니다.**[1]
- 이 구조를 BitLinear라고 부르고, Transformer의 모든 Dense 층(주의 Q·K·V 생성, FFN 등)을 이 BitLinear로 치환합니다.[1]
- 또, GPU 메모리 계층(HBM–SRAM)을 고려해, 정규화(RMSNorm)와 양자화를 연산 하나로 **“퓨전(fused)”**해 I/O를 최소화하는 커널을 설계해, 훈련 시 **메모리 사용 최대 61% 감소**(1.3B 모델, 특정 배치 크기 기준)를 달성합니다.[1]
### 2. Attention 제거: MatMul-free GRU 기반 토큰 믹서(MLGRU)
Self-attention은 Q·K·V 행렬을 만들어 \(QK^T\)를 계산하는데, 이게 본질적으로 거대한 MatMul입니다.[1]
논문에서는 여기서 한 단계 더 나아가, **아예 attention을 RNN(순환신경망) 기반 구조로 대체**합니다.[1]
- 기존 GRU에서 “숨겨진 상태 간 MatMul”과 tanh 같은 비싼 연산을 없애고, **모든 곱셈을 “3값 가중치 × 요소별(element-wise) 곱” 형태로 바꾼 변형 GRU(MLGRU)를 제안**합니다.[1]
- 시간 축을 따라 비선형성이 줄어들도록 구성해, 긴 시퀀스에서도 학습이 안정적이고, 병렬화 가능한 “선형 RNN” 계열 아이디어(Linear Recurrent Unit, RWKV 등)를 적극적으로 활용합니다.[1]
- 이렇게 만든 MLGRU는 **토큰 간 정보를 섞는 역할(token mixing)을 하면서도 MatMul 없이 동작**합니다.[1]
### 3. 채널 믹싱(FFN): MatMul-free GLU
채널 방향(임베딩 차원)으로 정보를 섞는 FFN은, Llama 등에서 사용하는 **SwiGLU/GLU 구조**를 기반으로, 모든 Linear를 BitLinear로 대체해 **덧셈과 요소별 곱만으로 구성**합니다.[1]
### 4. 전체 아키텍처
정리하면, 한 블록은 다음 두 축으로 구성됩니다.[1]
- 토큰 믹서: MLGRU (MatMul-free RNN)
- 채널 믹서: BitLinear 기반 GLU
결과적으로 **모든 층에서 MatMul이 사라진, 완전 MatMul-free LLM**이 완성됩니다.[1]
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## 결과 1: 성능 – Transformer와 얼마나 비슷한가?
논문은 3가지 규모의 모델을 비교합니다.[1]
- 370M 파라미터
- 1.3B 파라미터
- 2.7B 파라미터
각각에 대해, 기존 Transformer++와 제안한 MatMul-free LM을 동일한 데이터 토큰 수로 학습시키고, 여러 영어 벤치마크(ARC-Easy/Challenge, HellaSwag, Winogrande, PIQA, OpenBookQA)를 **제로샷(추가 학습 없이 바로 평가)**으로 비교합니다.[1]
대표적인 결과는 다음과 같습니다.[1]
- 370M 규모에서는 평균 정확도가 Transformer++ 대비 약간 낮지만(41.1% → 40.3% 수준), 큰 차이는 아닙니다.[1]
- 1.3B에서는 평균 성능 차이가 조금 줄어듭니다(48.0% vs 46.2%).[1]
- 2.7B에서는 평균 성능이 거의 비슷하고(50.7% vs 49.9%), 일부 과목(ARC-Challenge, OpenbookQA)에서는 오히려 MatMul-free LM이 더 높게 나옵니다.[1]
또한 **스케일링 법칙(모델 크기·연산량이 커질수록 오류가 어떻게 줄어드는지)**을 분석했을 때, MatMul-free LM의 손실 감소 곡선이 Transformer++보다 더 가파르게 내려가, **충분히 큰 연산량(약 10²³ FLOPs)에서는 오히려 Transformer를 능가할 것으로 예측**됩니다.[1]
즉, **모델이 커질수록 “MatMul이 없어도 된다”는 주장이 더 강해진다는 점**이 중요합니다.[1]
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## 결과 2: GPU에서의 메모리·속도 이득
GPU 상에서도 MatMul-free 구조가 실제로 이득을 주는지 실험합니다.[1]
- 훈련 중: Fused BitLinear를 쓴 1.3B 모델은, 특정 조건에서 **훈련 속도 25.6% 향상**, 메모리 사용 **82GB → 32GB(61% 감소)**를 달성합니다.[1]
- 추론 중: 13B까지 확장해 시뮬레이션한 결과,
- 1층 기준 MatMul-free LM은 0.12GB 메모리, 3.79ms 지연
- 동일 크기 Transformer++는 0.21GB, 13.87ms
로 **메모리·지연 모두 MatMul-free가 유리**합니다.[1]
- 13B 전체 모델 기준으로도, MatMul-free LM은 약 4.19GB 메모리로 추론 가능한 반면, 동일 크기 Transformer++는 48.50GB가 필요해, **대형 모델에서 메모리 측면 차이가 극단적으로 벌어집니다.**[1]
이는 “모바일·엣지 GPU에서 더 큰 모델을 띄우고 싶지만 메모리가 부족한 상황”에 현실적인 대안을 제시합니다.[1]
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## 결과 3: 뉴로모픽 칩(Loihi 2)에서의 에너지 효율
이 논문의 진짜 하이라이트는 **MatMul-free LLM을 뉴로모픽 칩(Loihi 2)에 올렸을 때의 효율**입니다.[1]
- Loihi 2는 120개의 비동기 “뉴로코어”로 이루어진, **저전력·이벤트 기반** 뉴로모픽 프로세서입니다.[1]
- MatMul-free LM은 본질적으로 **저비트(ternary)·요소별 연산·재귀 구조**라, Loihi 2의 구조와 매우 잘 맞습니다.[1]
370M 모델을 기준으로, Loihi 2와 엣지 GPU(NVIDIA Jetson Orin Nano)를 비교하면:[1]
- 오토리그레시브 생성(한 번에 한 토큰씩 생성)
- Jetson에서 400~500M급 Transformer들은 약 13~15 토큰/초, 700~900 mJ/토큰 수준입니다.[1]
- Loihi 2의 MatMul-free LM은 **약 59.4 토큰/초, 70.8 mJ/토큰**으로,
- **속도 최소 4배↑**,
- **에너지 효율 최소 10배↑**입니다.[1]
- 긴 프롬프트를 한 번에 집어넣는 prefill 단계에서도, Loihi 2는 수만 토큰/초 수준의 처리량과 매우 낮은 mJ/token을 보여줍니다.[1]
또한, Loihi 2는 완전 비동기 구조라, 여러 칩으로 이루어진 시스템(Alia Point, Hala Point)에서 **칩 개수가 늘어나도 시퀀스 처리 시간과 에너지 효율이 거의 일정하게 유지**되는 등, 매우 좋은 스케일링을 보입니다.[1]
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## 추가 분석: 양자화·고정소수점 처리
뉴로모픽 칩에서는 부동소수점 대신 **고정소수점 정수 연산**을 쓰기 때문에, 모델을 그에 맞게 양자화해야 합니다.[1]
- 가중치는 이미 ternary(−1,0,1)이므로, 8비트 정수로 쉽게 표현됩니다.[1]
- 정규화 계수와 활성값은 8비트·16비트 정수로 양자화했을 때,
- 8비트 활성(W8A8)은 정확도가 눈에 띄게 떨어지지만,
- **8비트 가중치 + 16비트 활성(W8A16)는 원래 모델 대비 평균 정확도 1%pt 이내 손실로 거의 유지**됩니다.[1]
- Sigmoid, 역제곱근 등 부동소수점 함수는 **Look-up Table + 뉴턴 방법**을 이용한 고정소수점 근사로 구현해, 하드웨어에서 효율적으로 계산합니다.[1]
즉, 이 구조는 “논문에서만 돌아가는 이론적인 모델”이 아니라, **실제 칩 위에 맞춰 끝까지 구현·검증된 시스템**이라는 점이 중요합니다.[1]
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## 의의와 시사점
이 논문으로부터 얻을 수 있는 중요한 메시지는 다음과 같습니다.
1. **“행렬 곱 없는 LLM”도 충분히 쓸 만하다.**
- 2.7B 규모까지 실험한 결과, 기존 Transformer와 거의 비슷한 제로샷 성능을 보였고, 더 크게 키우면 오히려 Transformer보다 나아질 가능성도 스케일링 분석으로 뒷받침됩니다.[1]
2. **대형 LLM의 병목은 ‘알고리즘’뿐 아니라 ‘연산 종류’와 ‘하드웨어 구조’라는 점을 보여준다.**
- 지금까지는 “더 큰 GPU, 더 많은 MatMul”이 주류였지만, 이 논문은 **연산을 MatMul에서 단순 덧셈·요소 곱으로 바꾸는 것만으로도, 메모리와 전력 효율을 크게 개선할 수 있음**을 보여줍니다.[1]
3. **엣지·모바일·친환경 AI의 가능성을 넓힌다.**
- Jetson 같은 작은 GPU에서 더 큰 모델을 띄울 수 있고, 뉴로모픽 칩에서는 **사람이 읽는 속도보다 빠르게 텍스트를 생성하면서도 10배 이상 낮은 에너지로 동작**할 수 있습니다.[1]
- 이는 배터리 기반 기기, 로봇, 웨어러블, 혹은 전력 제약이 심한 환경에서 **제대로 된 LLM을 실시간으로 쓰는 길**을 여는 연구입니다.[1]
4. **뇌와 닮은 “에너지 효율 좋은 지능”을 향한 한 단계**
- 논문은 이 MatMul-free LLM이 뉴로모픽 하드웨어와 결합될 때, **“뇌처럼 효율적인” 계산 방식에 한 발 더 다가간다**고 주장합니다.[1]
- 단순히 모델 정확도만이 아니라, **“같은 일을 훨씬 적은 에너지로 할 수 있는가”라는 질문에 기술적 근거를 제시**했다는 점에서 의미가 큽니다.[1]
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## 이 연구가 왜 중요한가?
이 연구는 “더 큰 GPU, 더 많은 FLOPs”라는 기존 LLM 발전 방향에 **대안적인 길**을 제시합니다. 완전 MatMul-free 구조로도 대형 언어 모델이 충분히 잘 동작하며, 메모리·지연·에너지 측면에서 획기적으로 효율적일 수 있고, 특히 뉴로모픽 같은 새로운 하드웨어 플랫폼과 결합될 때 **실제 시스템 차원에서 엄청난 이득**을 줄 수 있음을 실험으로 보여줍니다.[1]
앞으로 LLM이 일상 기기와 로봇, 온디바이스 AI로 깊게 들어갈수록, “얼마나 똑똑한가?”만큼이나 “얼마나 적은 에너지로 동작하는가?”가 중요해집니다. 이 논문은 그 미래를 위해 **모델 구조와 하드웨어 설계를 함께 바꾸는 통합적인 방향**을 제시했다는 점에서, 연구·산업 모두에 큰 시사점을 주는 작업입니다.[1]
Kimi
아래는 2406.02528v7 “Scalable MatMul-free Language Modeling”을 A4 두 장 분량으로 쉽게 풀어 쓴 블로그용 요약입니다. 논문에 없는 일반 상식은 최대한 배제하고, 논문에서 직접 제시한 사실·수치·그림·표만을 바탕으로 정리했습니다.
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### 1. 연구 배경
- 오늘날 ChatGPT 같은 대형 언어 모델(LLM)은 ‘행렬곱(MatMul)’이라는 연산에 의존한다.
- 행렬곱은 GPU에서 잘 돌지만, 전력·메모리·칩 면적을 가장 많이 잡아먹는 작업이다.
- 그래서 “행렬곱 없이도 성능을 유지할 수 있을까?”는 딥러닝의 오랜 질문이었다.
- 기존 시도(얼마 전 화제가 된 ‘BitNet’ 등)는 dense(완전 연결) 부분만 바꾸고, **어텐션(자기 주의) 매커니즘 안의 행렬곱은 그대로**였다.
- **문제는 바로 이 어텐션**: 두 동적 행렬(Q × K^T)을 매 시점 곱해야 해서 길이가 늘어날수록 계산량이 **제곱**으로 증가한다.
- 게다가 BitNet처럼 Q, K를 3값(–1, 0, 1)으로 양자화하면 학습이 **수렴하지 않는다**는 사실이 이번 실험에서 처음으로 드러났다(Fig. 4).
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### 2. 연구 목표
“행렬곱을 **완전히** 없애고, 10억 개 이상의 파라미터 규모에서도 기존 트랜스포머 못지않은 성능을 내면서, **메모리·에너지를 수십 % 이상 절감**하는 LLM을 만들자.”
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### 3. 핵심 아이디어(방법)
1) **dense(FFN) 부분**
- 가중치를 –1, 0, +1로 제한 → 곱셈이 사라지고 **덧셈/부호 반전**만 남는다.
- 이걸 “BitLinear”라 부른다.
2) **어텐션(토큰 믹서) 부분**
- 기존 어텐션 대신 **GRU 기반 RNN**을 쓴다.
- 게이트 값과 은닉 상태 갱신을 **모두 원소별 곱(⊙)**과 **덧셈**만으로 처리한다.
- 이 RNN은 시간 축이 **선형**이므로 긴 문장에서도 계산량이 문장 길이에 **비례**한다(기존은 제곱).
- 최종 구조를 “MLGRU(MatMul-free Linear Gated Recurrent Unit)”라 이름 붙였다.
3) **채널 믹서 부분**
- GLU(Gated Linear Unit)를 BitLinear로 바꿔서 **행렬곱 없이** 임베딩 차원끼리 정보를 섞는다.
4) **최적화**
- GPU용 “Fused BitLinear” 커널을 만들어 **활성화 값을 한 번만 읽고** RMSNorm→양자화→계산을 한꺼번에 처리 → 메모리 이동 61 % 절감.
- 뉴로모픽 칩 Loihi 2 전용 **고정소수점 마이크로코드**를 직접 작성.
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### 4. 실험 결과(논문에 나온 숫자 그대로)
#### 4-1. 성능
- 370M·1.3B·2.7B 세 모델을 15B/100B 토큰으로 학습.
- 6개 대표 벤치(ARC-e/c, HellaSwag, Winogrande, PIQA, OpenBookQA) **평균 정확도**는 트랜스포머++와 **오차 1 %p 이내**.
- 2.7B에서 ARC-Challenge·OpenBookQA는 오히려 **기존보다 높은 점수** 기록.
#### 4-2. 메모리·지연
- **학습** : 1.3B 모델, 배치 28 → Fused BitLinear 적용 시
– 시간 25.6 % 단축(1.52 s → 1.21 s/iter)
– GPU 메모리 61 % 절감(82 GB → 32 GB)
- **추론** : 시퀀스 2048, 배치 1 기준
– 370M : 0.12 GB & 3.8 ms vs 트랜스 0.21 GB & 13.9 ms
– 13B : 4.2 GB & 0.7 s vs 트랜스 48.5 GB & 3.2 s
#### 4-3. 뉴로모픽 칩(Loihi 2)
- 370M 24블록을 31칩(1152칩 중)에 배치.
- **생성 모드** : 59.4 토큰/s, 70.8 mJ/토큰
– Jetson Orin Nano 대비 **처리량 4배, 에너지 10배** 절감.
- **프리필 모드** : 11 637 토큰/s, 3.4 mJ/토큰
– 동일 보드 대비 **처리량 7~18배, 에너지 2~5배** 절감.
- **전력** : 4.2 W로 동작, **인간 읽기 속도의 8배** 성능.
#### 4-4. 확장 법칙(Scaling Law)
- 파라미터·컴퓨트 증가에 따른 손실 감소 기울기가 **트랜스포머보다 더 가파르다**.
- 10²³ FLOP(약 Llama-3 8B·Llama-2 70B 수준) 지점에서 **손실 곡선이 교차** → 같은 비용이면 **더 좋은 성능**, 또는 **같은 성능에 더 적은 비용** 가능.
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### 5. 고찰 & 시사점
1) **행렬곱 없이도** 최신 트랜스포머급 성능이 가능하다는 **실증적 증거**를 처음으로 제시.
2) **메모리 대역폭**이 병목인 엣지·뉴로모픽 하드웨어에서 **구조적 이점**이 폭발적이다.
3) **학습 비용이 큰** 초거형 모델을 만들기 전, **1/10 000 크기의 MatMul-free 모델**로 성능을 예측·최적화할 수 있다.
4) **RNN의 단점(긴 문단 약점)**은 **몇 개만 섞어 쓰는 하이브리드 구조**로 보완 가능(논문 인용 §6.3).
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### 6. 왜 이 연구가 중요한가?
- **“GPU 없이도 LLM을 돌릴 수 있을까?”**라는 물음에 정량적인 **YES**를 준 첫 사례다.
- **전력 10분의 1**로 **인간 읽기 속도의 8배**를 내는 칩이 이미 존재한다는 사실 자체가, **스마트워치·IoT·우주선** 같은 전력 제약 환경에 **대형 언어 모델을 심는 문**을 열었다.
- **확장 법칙이 기존보다 좋다**는 점은 **같은 예산으로 더 똑똑한 모델**을 만들 수 있음을 시사한다.
- 무엇보다 **행렬곱이라는 60년 된 연산 패러다임 자체를 뒤집는** ‘증명’이 나왔다는 데, 연구·산업적 의미가 크다.
“언젠가 휴대폰에서도 10B 파라미터 AI를 1W로 돌리는 날”이 이 논문으로 한 걸음 더 가까워졌다.
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| 출처: @ye._.vely618 |
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