AI데이터센터 LLM 학습·추론 시스템 아키텍처
칩 하나에서 시작해 노드·랙·클러스터를 거쳐 「전력을 넣어 토큰을 뽑는 공장」에 이르기까지, AI 인프라를 계층으로 분해해 읽는 법을 배운다. 제품 이름을 외우는 과목이 아니라, 왜 그 제품이 그렇게 생겼는지 워크로드에서 역산하는 과목이다. 마지막 두 장에서는 그 전부를 책상 위 10인치 랙 두 대로 실제로 지어 운영한다.
학습 목표
- LLM 학습과 추론이 하드웨어에 요구하는 것이 어떻게 다른지(연산 중심 vs 메모리 대역폭 중심) 설명하고, 그것이 제품 설계에 어떻게 반영되는지 읽어낼 수 있다.
- 칩 → 노드 → 랙(scale-up) → 클러스터(scale-out) → 사이트 간(scale-across)의 계층으로 AI 팩토리를 분해해 설명할 수 있다.
- 주요 제품군(NVIDIA Vera Rubin, AMD Helios, Google TPU 8, AWS Trainium3/4, 하이퍼스케일러 자체 칩, 국산 NPU)의 아키텍처를 비교 평가할 수 있다.
- 네트워크·스토리지·전력·냉각이 GPU 세대 교체에 따라 어떻게 재설계되는지(NVLink 6, UALink, CPO, 800 VDC, 액체냉각) 이해한다.
- 학습·추론 소프트웨어 스택(병렬화 프레임워크, Dynamo/vLLM/SGLang, P/D 분리 서빙)을 실제로 구동하고, 토큰 경제성 관점에서 시스템을 설계할 수 있다.
- 미니 데이터센터를 직접 구축하고 운영하면서, 앞의 계산들이 실물에서 그대로 성립하는지 전력·냉각·네트워크·용량·사고 대응으로 확인할 수 있다.
모듈 구성
모듈 A · 1–3장
기초
워크로드 특성, 가속기 마이크로아키텍처, CPU-GPU 결합
“왜 지금의 칩은 이렇게 생겼는가”
모듈 B · 4–7장
최신 제품군
NVIDIA / AMD / 하이퍼스케일러 자체 칩 / 추론 특화·국산 NPU
“누가 무엇을 어떤 논리로 만드는가”
모듈 C · 8–11장
시스템 아키텍처 심화
Scale-up·Scale-out 네트워크, 스토리지, 전력·냉각
“칩을 수만 개 묶으면 무엇이 문제인가”
모듈 D · 12–17장
소프트웨어·운영·설계
분산 학습, 추론 서빙, 용량 산정, 운영·경제성, 국내 사례, 종합 설계
“실제로 돌리고, 돈으로 환산하면”
모듈 E · 18–19장
미니 데이터센터 구축·운영
10인치 랙 2대에 GPU·클러스터·스토리지·전력·냉각·보안망을 짓고 운영한다
“1/260 로 줄여도 물리는 같은가”
장별 계획
전 19장이 본문·그림·실습 지시까지 작성돼 있다. 각 장은 앞 장의 결론 위에 쌓이도록 이어져 있으니 순서대로 읽는 편이 좋다. 18·19장은 앞의 열일곱 장을 손으로 확인하는 자리이므로 마지막에 읽는다.
1장 · 모듈 A
AI 팩토리와 LLM 워크로드의 해부
2장 · 모듈 A
가속기 마이크로아키텍처와 메모리
3장 · 모듈 A
CPU-GPU 결합과 노드 아키텍처 — DGX Spark 해부
4장 · 모듈 B
NVIDIA Vera Rubin 플랫폼
5장 · 모듈 B
AMD Helios와 개방형 진영
6장 · 모듈 B
하이퍼스케일러 자체 실리콘 — 학습·추론 칩의 분리
7장 · 모듈 B
추론 특화 아키텍처와 국산 NPU, 그리고 한국의 AI 인프라
8장 · 모듈 C
Scale-up 패브릭 — 랙을 하나의 GPU로 만들기
9장 · 모듈 C
Scale-out / Scale-across 네트워크와 광 인터커넥트
10장 · 모듈 C
스토리지와 데이터 파이프라인
11장 · 모듈 C
전력·냉각 — 랙 밀도가 바꾸는 건물
12장 · 모듈 D
분산 학습 시스템 아키텍처
13장 · 모듈 D
추론 서빙 아키텍처 — P/D 분리와 오케스트레이션
14장 · 모듈 D
서빙 용량 산정 — 어떤 모델을, 어떤 GPU로, 몇 명에게
15장 · 모듈 D
클러스터 운영·관측·토큰 경제성
16장 · 모듈 D
국내 AI 데이터센터의 모든 것 — 과거·현재·미래
17장 · 모듈 D
종합 설계 프로젝트 발표
18장 · 모듈 E
미니 데이터센터 구축 — 10인치 랙에 짓는 AI 팩토리
19장 · 모듈 E
미니 데이터센터 운영 — 사건이 일어나는 곳
평가
| 항목 | 비중 | 내용 |
|---|---|---|
| 장별 실습 보고서 | 30% | DGX Spark 실측 데이터 포함 |
| 중간 과제 (7장) | 20% | 제품군 비교 분석 및 국가AI컴퓨팅센터 랙 제안 |
| 기말 설계 프로젝트 (17장) | 40% | 설계서 + 발표 |
| 최신 동향 브리핑 | 10% | 매주 1팀, 해당 주 뉴스·발표자료 5분 요약 |
「최신」을 유지하는 방법
이 과목은 다루는 대상이 1년 주기로 바뀐다. 아래 행사 직후 해당 장 자료를 갱신하는 것을 전제로 설계했다.
| 시기 | 행사 | 갱신 대상 |
|---|---|---|
| 1월 | CES (AMD·NVIDIA 로드맵 예고) | 4–5 |
| 3월 | NVIDIA GTC | 4, 8–9, 13 |
| 4월 | Google Cloud Next (TPU) | 6 |
| 5–6월 | Computex / GTC Taipei (양산·공급망) | 4, 11 |
| 6–7월 | AMD Advancing AI | 5 |
| 8월 | Hot Chips (칩 아키텍처 심층) | 2, 6–7 |
| 10월 | OCP Global Summit (랙·전력·개방형 규격) | 8, 11 |
| 11월 | SC + MLPerf | 12, 14 |
| 12월 | AWS re:Invent (Trainium) | 6 |
핵심 참고 자료
| 갈래 | 자료 |
|---|---|
| 벤더 1차 자료 | NVIDIA Technical Blog / GTC 키노트 · AMD Advancing AI 발표 · Google Cloud Blog(TPU) · AWS What's New(Trainium) · Hot Chips 발표 슬라이드 |
| 심층 분석 | SemiAnalysis(TPU·Trainium 딥다이브) · ServeTheHome · Data Center Dynamics · 650 Group |
| 소프트웨어 문서 | NVIDIA Dynamo Docs(Disaggregated Serving) · vLLM · SGLang · llm-d(CNCF) · ROCm/mori |
| 국내 | 과기정통부·NIPA 사업 공고(AI컴퓨팅자원 활용기반 강화사업) · ZDNet Korea 국가AI컴퓨팅센터 보도 · 리벨리온·퓨리오사AI 기술 문서 |
축소 운영안
- 8장 압축형 — 1, 2, 4, 5, 6, 8+9(통합), 11, 13 → 최신 제품과 네트워크·전력 중심
- 실습 중심형 — 1, 3, 8, 11, 12, 14 → 18, 19 → 이론은 최소로, 손으로 짓고 운영하는 데 시간을 쓴다
- 자기주도 속성 과정 — 모듈 A(1주) → 모듈 B(1주) → 모듈 C(1주) → 13장 실습(1주) → 모듈 E(2주)
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이 자료에 나오는 제품 사양·출하 시점·계약 규모는 강의 준비 시점의 공개 자료에 근거한다. 특히 아직 출하되지 않은 제품의 성능 수치는 전부 벤더 발표값이며, 정밀도 정의·희소성 가정·칩 단위/랙 단위가 벤더마다 달라 그대로 비교하면 안 된다. 수업에서 인용할 때는 원문 슬라이드·블로그를 함께 확인하고, 위 갱신 캘린더에 따라 최신화하기 바란다.