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폰 노이만 병목현상: AI의 진짜 제약이 연산이 아니라 메모리인 이유
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폰 노이만 병목현상: AI의 진짜 제약이 연산이 아니라 메모리인 이유

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2026.06.10조회수 169회
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"투자의 질을 중시하며, 장기적 안목으로 시장을 바라봅니다. 비단 재테크뿐만 아니라 인생 전반에 걸쳐 복리의 힘을 믿고, 그 원칙을 실천에 옮기는 곳입니다. 여기서는 깊이 있는 분석과 지속 가능한 성장 전략을 공유하며, 함께 성장하는 지혜를 나눕니다."

존 폰 노이만 사후 80년이 지난 지금도 버스는 여전히 버스일 뿐이며, 현대의 트랜스포머 추론은 엔지니어링 기술로 우회할 수 있는 한계를 넘어 이 버스를 쥐어짜고 있다.


1945년, 존 폰 노이만은 프로세서와 메모리가 분리된 물리적 단위로 존재하며 버스로 연결되는 컴퓨터 아키텍처를 기술한 보고서 초안을 발표했다. 프로세서는 명령어나 데이터 조각을 가져오고, 연산을 수행한 뒤, 그 결과를 다시 메모리에 기록한다. 계산의 모든 단계는 버스를 가로지르는 왕복 여정을 요구한다.


그 버스가 바로 '폰 노이만 병목현상'이다. 이는 프로세서가 연산할 수 있는 속도와 메모리가 데이터를 공급할 수 있는 속도 사이의 간극을 의미한다. 1950년대 이후 제작된 모든 범용 컴퓨터는 이 아키텍처 내부에서 살아왔다. 현재 출하되는 모든 GPU, 모든 TPU, 모든 주문형 AI 가속기 역시 마찬가지다.


원제작 논문이 나온 지 80년이 지난 지금 이 문제가 다시 중요해진 이유는, AI 워크로드가 전통적인 엔지니어링으로 숨길 수 있는 수준을 넘어 이 병목현상을 극단까지 늘려놓았기 때문이다. 인공지능의 가격은 더 이상 칩이 초당 수행할 수 있는 부동소수점 연산 횟수(FLOPs)에 의해 결정되지 않는다. 메모리를 칩의 연산 장치 내부로 얼마나 빨리 이동시킬 수 있느냐에 의해 결정된다.


나는 대규모 추론을 실행하는 현업에 있다. 아래의 수치들은 내가 비용 청구서에서 직접 확인하는 것들이다. 그 어떤 것도 투자 권유가 아니다. 이 모든 내용은 현업 엔지니어가 토큰 하나의 가격을 매길 때 살펴보는 지표들이다.

폰 노이만 병목현상의 실체

현대의 AI 가속기를 예로 들어보자. 엔비디아 H100은 이론적으로 초당 약 1,979조 번의 부동소수점 연산(FP16 처리량)을 수행할 수 있다. 반면, HBM3 스택과의 메모리 대역폭은 초당 3.35테라바이트(TB/s)다.


이 두 수치는 서로 균형이 맞지 않는다. 가공되지 않은 순수 연산 측면에서 보면 연산단이 메모리단보다 대략 600배 빠르다. 연산 장치를 쉬지 않고 돌리려면, 메모리에서 가져온 모든 바이트가 다음 바이트가 도착하기 전까지 평균적으로 수백 번 이상 재사용되어야 한다.


이를 '산술 연산 밀도'라고 부른다. 이는 메모리 액세스 횟수 대비 연산 횟수의 비율을 뜻한다. 만약 워크로드의 산술 연산 밀도가 칩의 연산 처리량 대 메모리 대역폭의 비율보다 낮아지면, 칩은 멈춰 서게 된다. 연산 장치들이 데이터를 기다리며 노는 것이다. 당신이 3만 달러를 지불한 칩은 이론상 성능의 5~15% 수준으로만 작동하게 된다.


현대의 트랜스포머 추론, 특히 긴 문장을 자기회귀 방식으로 생성하는 작업은 산술 연산 밀도가 최악이다. 모델은 토큰을 하나 생성할 때마다 메모리로부터 모든 파라미터를 새로 로드해야 하며, 계속 늘어나는 KV 캐시 전체를 읽어내야 한다. 파라미터당 연산량은 작다. 반면 요구되는 대역폭은 엄청나다.


이것이 바로 GPU를 통해 발현되는 폰 노이만 병목현상이다. 아키텍처는 1945년 이후로 바뀌지 않았다. 바뀐 것은 워크로드다.

왜 AI가 이 병목현상을 다시 수면 위로 끌어올렸는가

수십 년 동안 폰 노이만 병목현상은 실제 엔지니어들이 우회 기법을 통해 해결하던 교과서적인 문제에 불과했다. CPU의 캐시 용량은 커졌고, 컴파일러는 프리페치 능력이 향상되었다. 메모리 계층 구조는 더 촘촘해졌고(L1, L2, L3, DRAM), 버스는 빨라졌다.


그러나 AI 워크로드는 다음과 같은 여러 이유로 인해 이 모든 우회 기법들을 한꺼번에 무력화했다.

  • 첫 번째 이유는 모델의 크기다. FP16 포맷의 700억 개 파라미터(70B) 모델은 크기가 140기가바이트(GB)에 달한다. 이는 기존의 어떤 캐시 계층 구조에도 들어가지 않는다. 무조건 HBM(고대역폭 메모리)에 상주해야 하며, 순방향 연산이 일어날 때마다 이 거대한 데이터의 상당 부분이 연산 장치를 통과해야 한다.

  • 두 번째 이유는 KV 캐시다. 모든 트랜스포머는 자신이 거쳐온 모든 토큰의 키와 값에 대한 실행 기록을 보존한다. 콘텍스트 창이 길어지면 이 상태 값은 세션당 수십 기가바이트로 불어날 수 있다. 10만 토큰의 콘텍스트를 대상으로 30분 동안 실행되는 현대적인 AI 에이전트 루프는 파라미터를 읽는 것보다 캐시를 읽는 데 더 많은 메모리 대역폭을 소모한다.

  • 세 번째 이유는 배치 크기다. 학습 단계에서는 하나의 배치 안에서 수천 개의 샘플에 걸쳐 파라미터 로드 비용을 분할 상쇄하기 때문에 산술 연산 밀도가 높게 유지된다. 반면 추론, 특히 낮은 지연 시간을 요구하는 실제 서비스 환경에서는 대개 배치 크기 1 또는 32 수준에서 실행되므로 산술 연산 밀도가 무너진다. 결국 칩이 멈춰 서게 된다.

  • 네 번째 이유는 추론형 모델이다. 추론형 모델은...

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댓글 3개
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Dirtycat
2026.06.11

감탄하며 읽었습니다 책갈피에 넣어두고 나중에 다시 읽어봐야겠네요. 좋은 글 소개해주셔서 감사합니다

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Filliads
2026.06.11

분석력과 배경지식의 깊이도 놀랍지만 문체의 유려함에도 감탄하면서 읽었습니다. 👍👍👍👍👍

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아라리
2026.06.12

너무 좋네요. 감사합니다!

폰 노이만 구조를 뛰어넘을 새로운 구조가 나오지 않는 이상 메모리의 수요는 계속 높은 상태를 유지하겠네요...

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생물학에서 에이전트의 길을 열다

요약 생물학 연구에서 AI 에이전트의 활용을 확대하려면 데이터 인프라가 에이전트 친화적으로 설계되어야 한다. NCBI Virus에서 바이러스 시퀀스를 검색하는 과제에서 Claude, GPT 등 최첨단 모델들도 정확도 16.9~91.3%에 그쳤고, 같은 쿼리를 반복하면 매우 다른 결과를 얻었다. 하지만 결정론적 검색 도구인 gget virus를 추가하자 정확도는 90% 이상으로 올라갔고, 모델 간 성능 편차도 거의 사라졌다. 이는 소프트웨어처럼 생물학 데이터 인프라도 에이전트가 신뢰할 수 있게 탐색할 수 있도록 설계되어야 함을 보여준다. 창의적 추론은 모델에 맡기고, 데이터 접근·검증·메타데이터 처리 같은 기계적 작업은 신뢰할 수 있는 인터페이스로 표준화해야 한다. 이렇게 하면 더 저렴한 모델도 신뢰할 수 있게 되고, 과학 연구의 정확성과 재현성이 보장된다. Laura Luebbert 저. Ferdous Nasri, Sarah Gurev, Patrick Varilly, Krithik Ramesh, Nuala A. O'Leary, Jonah Cool, Bernhard Y. Renard, Pardis Sabeti, Laura Luebbert의 연구를 바탕으로 함. 이 글에서 Laura Luebbert는 생물학적 데이터 인프라를 에이전트 친화적으로 만들어야 한다고 주장한다. 사례 연구로서, 그녀와 연구팀은 과학 연구 에이전트들(Claude, Biomni Open Source(Biomni OSS), Edison Analysis, GPT)에게 바이러스학자들이 감시 활동이나 진단 검사 개발 같은 작업에 활용하는 데이터베이스인 NCBI Virus에서 시퀀스 데이터를 검색하는 과제를 부여했다. 가장 강력한 모델조차 신뢰할 수 있는 데이터셋 구축에 필요한 수준의 정확도를 일관되게 달성하지 못했다. 그러나 연구팀이 결정론적 검색 레이어인 gget virus를 추가하자 정확도는 거의 100%에 근접했다. 과학 에이전트에 대한 더 넓은 교훈은, (현재로서는) 결정론적 검색 도구가 에이전트 워크플로의 신뢰성을 높이는 데 필수적이며, 생물학 데이터베이스는 규모 있는 사용자로서의 에이전트를 염두에 두고 설계되어야 한다는 것이다. AI 에이전트를 활용해 생물학적 데이터 인프라를 탐색하는 것은, 자동차가 등장하기 전에 설계된 고도(古都)를 운전하는 것과 같다. 그 인프라는 아름답고 나름의 사려 깊음을 갖추고 있을지 몰라도, 현대 차량이 탐색하기 어려운 좁고 구불구불한 도로(독특한 파일 형식, 분산된 데이터베이스, 일회성 검색 스크립트)로 가득 차 있다. 교통 표지판, 주차장, 간간이 넓힌 도로 등으로 도시를 개량할 수 있지만, 기본 구조는 다른 이동 방식을 위해 설계되었기 때문에 탐색하기 여전히 어렵다. 반면 소프트웨어 인프라는 기본적으로 자동차(에이전트)의 필요에 맞게 만들어졌다. 포장된 도로, 명확한 차선, 표준화된 신호, 처음부터 끝까지 빠른 이동을 위해 설계된 시스템(버전 관리, 잘 문서화된 API, 패키지 매니저)이 그것이다. 그 결과, 코딩 에이전트는 생물학 에이전트보다 훨씬 빠르게 발전했다. 소프트웨어는 일반적으로 구조화된 디지털 워크플로와 신뢰할 수 있는 인터페이스를 제공하는 반면, 데이터 검색 및 검증에 필요한 전산 생물학 인프라는 종종 취약하고 이질적이며 프로세스에 의존적이다. 이를 탐색하는 도구들은 필연적으로 맞춤 제작되어 특정 도메인이나 가설에 맞게 조율된다. 더욱이 소프트웨어는 빠르게 컴파일하고 검증할 수 있는 테스트 가능한 출력물을 제공하는 반면(예: 프로젝트 테스트를 통과하는 패치를 생성해 GitHub 이슈를 해결하는 것), 생물학은 단순하면서도 검증 가능하고 의미 있는 보상 지표가 거의 없다. 따라서 생물학 에이전트의 병목은 추론 능력만의 문제가 아니라, 생물학적 데이터를 쿼리하기 위한 결정론적 실행 레이어의 부재에 있다. 과학자는 의도를 표현할 수 있다(예: 이 도메인을 가진 모든 인간 키나아제를 찾고 그 구조를 가져와라). 하지만 에이전트는 필요한 정보를 담고 있는 데이터베이스에 접근할 신뢰할 만한 방법을 갖추지 못한 경우가 많다. 생물학 및 과학 워크플로에서는 작은 오류조차 심각한 결과를 초래할 수 있다. 예를 들어 잘못된 게놈 빌드에서 좌표를 검색하면 하위 생물학적 해석 전체가 무효화될 수 있다. 의도치 않게 RefSeq과 GenBank 레코드를 혼합하거나, 불완전한 게놈을 완전한 게놈으로 취급하거나, 분절 바이러스에서 분절 명칭을 혼동하거나, 일관성 없는 메타데이터 필드로 인해 관련 레코드를 놓치는 것도 마찬가지다. 연구의 매력이자 어려움은, 세부 사항이 결정적으로 중요한 경우가 많다는 데 있다. 이탈리아 언덕 마을을 운전하는 것과 같이, 도로가 너무 좁고 모퉁이가 너무 가파르며 길이 현지 지식에 의존한다면 차가 아무리 강력해도 소용없다. 에이전트가 발병 대응부터 신약 설계, 생물학적 모델링에 이르기까지 과학적 발견을 돕기를 원한다면, 인간이 탐색하는 것만큼 신뢰성 있게 탐색할 수 있는 생물학적 데이터 인프라를 구축해야 한다. 웹 개발에 관한 Karpathy의 강의가 AI 에이전트를 이용한 생물학 연구에 시사하는 것 에이전트의 필요와 인간을 위해 구축된 도구 사이의 이러한 불일치는 생물학에만 국한된 문제가 아니다. 에이전트가 인간 전용으로 설계된 환경에 투입되는 곳이라면 어디서든 동일한 마찰이 발생한다. 몇 달 전, Andrej Karpathy는 AI 시대의 소프트웨어에 관한 강연을 하면서 몹시 낯익게 들리는 불평을 늘어놓았다. 그는 작은 웹 앱을 바이브 코딩으로 만들었는데, 실제 서비스(인증, 결제, 배포)로 만들려 했을 때 브라우저 대시보드를 클릭하며 일주일을 날려버렸다. 그가 요약한 것처럼, "코드는 가장 쉬운 부분이었다! 대부분의 작업은 브라우저에서 이것저것 클릭하는 데 있었다." 문서는 계속해서 "이 URL로 가서 이 드롭다운을 클릭하라"고만 안내했다. 그의 결론은, 아무도 이런 일을 해서는 안 된다는 것이었다. 대신 우리는 에이전트를 위해 구축해야 한다. Karpathy는 소프트웨어 에이전트의 세계에서 생물학 연구자들이 오랫동안 씨름해 온 것, 즉 이질적인 정보와 암묵적 관습, 브라우저를 클릭하는 인간을 중심으로 구축된 환경에서 지능형 시스템을 작동시키려는 고통을 새삼 경험했던 것이다. 사례 연구: 바이러스학의 '클릭세(click tax)' AI 에이전트가 등장하기 훨씬 전부터, 전산 생물학자와 유전학자들은 이 문제를 조금씩 해결하기 위해 전통적인 전산 생물학 도구를 개발하기 시작했다. Biopython, BioPerl, BioJulia, Entrez Direct, BioMart, gget, 그리고 수많은 워크플로 라이브러리들은 모두 생물학 데이터를 브라우저 인터페이스에서 꺼내어 연구자들이 직접 연산할 수 있는 공간으로 옮기려는 노력들이다. 문제는 생물학 데이터가 단일 인터페이스를 가진 단일 데이터베이스에 존재하지 않는다는 것이다. 그것은 각자의 식별자, 관습, 형식, 필터링 로직, 프로그래밍 방식의 접근 수준을 가진 지저분한 도로망이다. 일부 데이터는 프로그래밍 방식으로 접근하기 간단하다. 그러나 그렇지 않은 경우도 많다. 특히 바이러스학은 더 어려운 사례 중 하나다. 백신 및 진단 검사 설계에서 단백질 모델 학습 데이터 구축에 이르는 연구 워크플로는 종종 NCBI Virus에서 시퀀스를 검색하는 것에서 시작된다. NCBI ...

처브·피델리스, 3억 4천만 달러 전쟁 위험 손실 단독 부담

런던 법원이 분담 청구의 문을 닫으며, 두 보험사가 러시아 항공기 보험금을 단독으로 떠안다 이번 주 P&C 보험사·인슈어테크 경영진을 위한 전략적 시그널 전체 시장: 스위스리가 2025년 전 세계 자연재해 보호 공백(protection gap)을 4,240억 달러로 추산—역대 최대 규모. 개인 보험(Personal Lines): 뉴욕주가 자동차보험 개혁안을 입법화—ZIP 코드 기반 요율 산정 금지 및 상해 소송 상한 도입으로 미국 내 최고 수준의 보험료 인하를 추진. 기업 보험(Commercial Lines): 런던 법원 판결로 처브와 피델리스가 러시아 항공기 전쟁 위험 보험금 3억 4천만 달러를 단독 부담하게 됨. 사이버 보험(Cyber Insurance): 자율 AI 에이전트를 운용하는 기업들은 기존의 사이버 및 기술 E&O(오류·부작용) 보험이 전혀 상정하지 않은 새로운 담보 공백에 노출되어 있음. 1. 전체 시장 스위스리, 전 세계 재해 보호 공백 4,240억 달러 추산—조용히 진행되는 보장 확대 무슨 일이 있었나 2026년 6월 3일, 스위스리 연구소는 2025년 기준 전 세계 자연재해 보호 공백—경제적 손실과 보험 손실의 차이—을 4,240억 달러로 추산했다. 2024년의 3,950억 달러에서 증가한 수치다. 약 7퍼센트의 상승은 주로 자산 가치 상승과 재건 비용 증가에 기인하며, 보장 감소가 원인은 아니다. 스위스리의 자연재해 보험 회복력 지수는 27.3퍼센트로 올라 10년 전의 약 25퍼센트에서 개선됐으며, 북미가 약 40~42퍼센트로 지역별 최고 회복력을 보였다. 이차 재해(secondary perils)가 2025년 보험 손실의 기록적인 92퍼센트를 차지했고, 총 보험 손실은 1,070억 달러였다. 스위스리는 2026년 보험 손실이 1,480억 달러, 2030년에는 1,860억 달러에 달할 것으로 전망한다. 왜 중요한가 이 수치는 보험사, 재보험사, 규제 당국이 연말까지 공유 근거로 인용할 공식 팩트가 된다. 북미의 높은 회복력 수치는 더 중요한 사실을 가린다. 안정적인 보장 비율이 빠르게 증가하는 노출 위험 위에 얹혀 있어, 보험사들이 이미 철수하고 있는 지역에서 비보험 손실은 계속 늘어난다. 이차 재해의 기록적인 비중은, 공백을 만드는 손실이 전통적 모델이 가장 자신 없게 가격을 매기는 영역이라는 점을 확인해준다. 이는 2026년 6월 1일자 호에서 지적한 재산 보험 연성화(softening) 배경과 같은 역학이다. 시사점 절대적 공백 확대와 회복력 지수 개선이 동시에 나타나는 상황은, 최고위험책임자(CRO)와 IR 팀이 이사회에 재해 익스포저를 설명하는 방식을 복잡하게 만들 수 있다. 회사가 이전보다 더 많은 위험을 커버하고 있어도 헤드라인 수치는 매년 상승하기 때문이다. 상품·혁신 담당자들은, 성장세가 높고 재해 노출이 큰 주에 공백이 집중돼 있다는 점을 발견할 수 있다. 바로 인가 인수 능력이 가장 희박한 곳이며, 자사 보험사가 비갱신하는 시장에서 파라메트릭·전문 팀이 구축해야 하는 영역이다. 재보험 및 특약 구매자들은 가격 인하 협상에서 더 불리한 위치에 처할 수 있다. 과소보험이 아닌 자산 가치 상승이 공백의 원인이라면, 갱신 시 일괄 요율 인하 요구의 근거가 약해지기 때문이다. 이차 재해의 기록적 비중은 조직 내 권한을 재해 모델링·익스포저 관리 부서 쪽으로 이동시킬 수 있다. 이들의 손실 추정치가 계리사들이 의존해온 과거 손실 삼각형보다 더 큰 비중을 갖게 되는 것이다. 노출 지역의 영업 리더들은 에이전트가 이 공백을 영업 기회로 재해석하는 상황을 맞닥뜨릴 수 있다. 이는 재보험 어태치먼트 포인트가 가장 관대하지 않은 지점에서 한계 위험을 책으로 끌어들이는 결과를 낳을 수 있다. 공공-민간 파트너십 구조를 검토하는 보험사들에게, 이 데이터는 민간 인수 능력만으로는 공백을 메울 수 없다고 주장하는 규제 당국의 입지를 강화할 수 있다. 이는 국가 백스톱 논의 없이 정치적으로 민감한 위험을 거절할 여지를 좁힌다. 주목하고 있는 기타 전체 시장 시그널 디지털 채널이 신규 보험 계약의 절반 차지 J.D. 파워가 2026년 5월 13일 발표한 2026 미국 보험 디지털 경험 연구에 따르면, 자동차·주택보험 신규 계약의 47퍼센트가 디지털 채널을 통해 이루어졌다. 에이전트는 35퍼센트, 콜센터는 17퍼센트였다. 서비스 부문 전체 만족도는 4포인트 하락해 1,000점 만점에 695점을 기록했다. 서비스 만족도에서는 아미카(Amica)가 730점으로 최고점을 받았다. 2026년 1월~3월 11,553건의 평가를 기반으로 한 이번 연구에서, 챗봇이나 가상 어시스턴트를 사용한 비율은 11퍼센트에 불과했지만, 사용자들의 만족도는 더 높게...
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