FPGA 구현을 위한 머신러닝 파이썬 실습

머신러닝을 배우면 정확도를 올리는 법을 익힙니다. 그런데 그 모델을 실제 칩에 올리려는 순간, 아무도 알려 주지 않은 질문이 남습니다. 이 모델은 곱셈을 몇 번 합니까? 무엇을 얼마나 기억하고 있어야 합니까? 지금 목표로 하는 칩 스펙이 그 요구를 감당할 수 있습니까? 머신러닝 교재는 정확도를 이야기하고 반도체 교재는 회로를 이야기하는데, 그 사이를 잇는 자료가 드뭅니다. 저는 RISC-V CPU와 NPU를 FPGA로 구현하며 이 간극을 반복해서 마주쳤습니다. 정확도가 가장 높은 모델이 정작 보드에는 들어가지 않는 상황 말입니다. 본 과정은 알고리즘 여섯 개를 파이썬으로 직접 만들면서, 만들 때마다 곱셈과 비교와 메모리와 정확도를 측정합니다. 그리고 그 값을 실제 FPGA 보드의 자원으로 환산합니다. 곱셈 몇 번이라는 말은 그 자체로 크기를 가늠할 수 없지만, 보드의 몇 퍼센트라고 하면 판단이 서기 때문입니다. 아홉 개의 Lab을 지나 여섯 모델을 한 표에 모으면 예상과 다른 그림이 나옵니다. 곱셈을 세는 데 아홉 편을 썼는데 정작 발목을 잡는 것은 곱셈이 아니었습니다. 이후 실수를 정수로 내리고, 자릿수를 관리하고, 회로를 채점할 기준까지 만듭니다. FPGA 보드는 필요하지 않습니다. 파이썬만으로 진행하며, 보드는 측정값을 환산하는 기준으로만 사용됩니다.

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수강 후 이런걸 얻을 수 있어요

  • 머신러닝 모델을 보고 그것이 칩에서 요구하는 자원을 네 항목으로 계산할 수 있습니다.

  • 연산 횟수와 메모리 요구를 실제 보드 자원 대비 백분율로 환산해 구현 가능 여부를 판단할 수 있습니다

  • 곱셈기 개수와 사이클 수를 맞바꾸는 면적·시간 거래를 설계 관점에서 설명할 수 있습니다

  • 실수 가중치를 정수로 양자화하고 누적기 비트 폭을 계산해 정할 수 있습니다

  • 회로를 검증할 파이썬 골든 모델을 만들고 값 단위로 대조하는 절차를 세울 수 있습니다

  • 여섯 알고리즘의 비용을 같은 잣대로 비교한 표를 직접 완성하게 됩니다

  • 실행하고 값을 바꿔 볼 수 있는 파이썬 스크립트 15개와 검증 도구를 갖게 됩니다

■ 강의 소개

정확도 98.4 %. 그런데 이 모델은 칩에 들어가지 않습니다.

머신러닝을 배우면 정확도를 올리는 법을 익힙니다. 그런데 그 모델을 실제 칩에 올리려는 순간, 아무도 알려 주지 않은 질문이 남습니다. 이 모델은 곱셈을 몇 번 합니까? 무엇을 얼마나 기억하고 있어야 합니까? 지금 목표로 하는 칩 스펙이 그 요구를 감당할 수 있습니까?

머신러닝 교재는 정확도를 이야기하고, 반도체 교재는 회로를 이야기합니다. 그런데 그 사이를 잇는 자료가 드뭅니다. 머신러닝을 배운 분은 자신이 만든 모델이 칩에서 무엇을 요구하는지 모르고, 회로를 배운 분은 그 위에 무엇을 올릴지 모릅니다. 본 과정은 그 간극을 메우려고 만들었습니다.

알고리즘 여섯 개를 직접 만들면서, 만들 때마다 곱셈과 비교와 메모리와 정확도를 측정합니다. 그리고 그 값을 실제 FPGA 보드의 자원으로 환산합니다. 곱셈 몇 번이라는 말은 그 자체로 크기를 가늠할 수 없지만, 보드의 몇 퍼센트라고 하면 판단이 서기 때문입니다.

그렇게 아홉 개의 Lab을 지나 여섯 모델을 한 표에 모으면 예상과 다른 그림이 나옵니다. 곱셈을 세는 데 아홉 편을 썼는데 정작 발목을 잡는 것은 곱셈이 아니었습니다. 정확도가 가장 높은 모델이 칩에는 가장 들어가기 어려운 모델이었습니다.

이것은 정확도 뒤에 있는, 보이지 않는 것들입니다.

■ 이 과정에서 마주치는 순간

  • 교과서에 늘 나오는 계산 단계 하나를 통째로 덜어냅니다 결과가 달라지지 않는다는 것을 테스트 전체에서 확인한 뒤에 지웁니다.

  • 곱셈을 한 번도 하지 않는 분류기를 만듭니다 곱셈기 자리가 비는 대신, 그 비용이 어디로 옮겨 가는지 보게 됩니다.

  • 단 한 비트가 모자라 정확도가 무너지는 장면을 봅니다 서서히 나빠지는 것이 아니라 절벽이고, 오류 메시지도 나오지 않습니다.

  • 줄이려다 오히려 늘어나는 경우를 만납니다 줄이는 일 자체가 연산이기 때문입니다.

  • 데이터가 커지는 순간 방법이 죽는 지점을 찾습니다 만들어 보고 나서가 아니라, 만들기 전에 계산으로 압니다.

교재에 적힌 값은 모두 제공하는 파이썬 실행 로그에서 가져온 것입니다. 짐작으로 채운 숫자는 단 하나도 없습니다.

■ 무엇을 배우는가

알고리즘을 만들 때마다 네 항목을 채웁니다.

곱셈 곱하고 더하는 연산의 횟수 전용 곱셈기를 사용 비교 두 값의 크기를 견주는 횟수 논리 자원을 사용 메모리 보관하고 있어야 하는 바이트 수 내장 메모리 블록을 사용 정확도 맞힌 비율

앞의 셋은 서로 대신할 수 없습니다. 곱셈기가 남아돌아도 메모리가 모자라면 그 설계는 성립하지 않습니다. 그래서 넷을 따로 재고 함께 봅니다.

제 1 부에서는 학습이 곱하고 더하고 비교하는 산수의 반복임을 확인합니다. 배열에서 시작해 곱셈과 누산을 만들고, 오차를 줄이는 방향을 찾고, 판정을 열 클래스로 넓힙니다.

제 2 부에서는 알고리즘마다 요구하는 자원이 달라진다는 것을 확인합니다. 곱셈을 쓰지 않는 분류기, 그것을 여럿 모은 앙상블, 학습을 아예 하지 않는 방법, 그리고 표본과 차원을 줄이는 두 방향을 만들어 봅니다. 마지막에 여섯 모델을 한 표에 모아 읽습니다.

제 3 부에서는 고른 것을 칩에 올릴 형태로 바꿉니다. 실수를 정수로 내리고, 자릿수가 넘치지 않게 관리하고, 회로를 채점할 기준을 만듭니다. 그리고 실제 회로가 될 형태의 분류기를 만든 뒤, 데이터가 커지면 이 방법이 어디서 막히는지 계산합니다.

■ 이 과정이 지키는 원칙

  • 정확도는 언제나 기준선과 함께 적습니다 불균형한 문제에서 숫자 하나만으로는 아무 뜻이 없습니다.

  • 표에 들어가는 값은 모두 실행해서 얻은 것입니다 재지 못한 항목은 비워 두고 기억으로 채우지 않습니다.

  • 가정은 그것을 세운 자리에 밝히고 조용히 바꾸지 않습니다

  • 조정하는 값은 검증셋에서 정하고, 테스트셋은 마지막에 한 번만 엽니다

노트북 열다섯 개를 한꺼번에 실행해 정답 로그와 대조하는 스크립트가 함께 들어 있습니다. 여러분의 실행 결과가 교재의 값과 같은지 직접 확인하실 수 있습니다.

■ 이런 분께 권합니다

  • 머신러닝은 아는데, 그 모델이 하드웨어에서 무엇을 요구하는지 궁금한 분

  • FPGA나 반도체를 다루는데, 그 위에 무엇을 올릴 수 있는지 알고 싶은 분

  • AI 반도체 설계를 준비하며 알고리즘과 자원의 관계를 익히려는 분

  • 모델을 고를 때 정확도 말고 다른 기준이 필요하다고 느껴 온 분

■ 선수 지식

  • 파이썬 기본 문법

  • 넘파이 배열을 다뤄 본 경험이 있으면 수월합니다

  • 머신러닝 사전 지식은 필요하지 않습니다. 알고리즘은 과정에서 만듭니다

  • 하드웨어 사전 지식도 필요하지 않습니다. 필요한 개념은 그때그때 설명합니다

■ 실습 환경

  • 아나콘다와 주피터 노트북

  • numpy, scikit-learn, matplotlib — 첫 Lab 실행 시 자동 설치

  • FPGA 보드는 필요하지 않습니다

보드는 측정값을 환산하는 기준으로만 사용됩니다.

■ 함께 제공되는 것

  • 파이썬 실습 스크립트 열다섯 개

  • 고정된 학습과 테스트 데이터셋

  • 정답 로그와 일괄 검증 스크립트

  • Lab마다 응용 실습 세 항목 — 고칠 줄과 바뀔 결과가 함께 적혀 있습니다

응용 실습에 적힌 결과는 실제로 값을 바꾸어 실행해 얻은 것입니다. 같은 값으로 바꾸면 같은 결과가 나옵니다.

■ 이 과정에서 다루지 않는 것

  • Verilog 코드 작성 — 본 과정은 파이썬만 사용합니다

  • FPGA 보드에 올려 동작시키기

  • 합성과 타이밍 분석

  • 회로와 파이썬을 맞대는 비트 수준 검증 — 그 기준을 만드는 데까지 갑니다

  • 딥러닝 최신 구조 — 고전 알고리즘 여섯 개를 다룹니다

본 과정은 회로를 만들기 전에 무엇을 만들지 판단하는 단계를 다룹니다. Verilog 구현과 보드 실장은 FPGA를 이용한 실습 과정에서 이어집니다.

■ 커리큘럼

섹션 1 시작하기 전에 9분 무료 공개

섹션 2 데이터와 연산 29분 무료 공개

섹션 3 학습과 다중 분류 31분

섹션 4 곱셈 없는 알고리즘 48분 섹

션 5 줄이기와 여섯 모델 44분

섹션 6 정수로 내리기 45분

섹션 7 보드로 넘기기 31분

전체 약 4시간

앞의 두 섹션을 전부 무료로 공개합니다. 환경 안내에서 그치지 않고, 이 과정이 모델을 재는 방식과 첫 두 Lab을 그대로 확인하실 수 있습니다. 지금 파이썬 코드를 내려받아 직접 실행해 보십시오.

이런 분들께
추천드려요

학습 대상은
누구일까요?

  • 머신러닝 모델을 만들 줄은 알지만, 그 모델을 FPGA나 ASIC에 올릴 수 있는지 판단할 기준이 없어 매번 감으로 결정해 온 분

  • 반도체나 FPGA를 다루면서 AI 가속기를 맡게 되었는데, 알고리즘 쪽 문서를 읽어도 무엇을 회로로 만들어야 할지 감이 오지 않는 분

  • AI 반도체 설계 직무를 준비하며, 정확도 중심의 머신러닝 지식과 자원 중심의 하드웨어 지식을 어떻게 이어야 할지 막막한 분

  • 모델을 다 만들고 나서야 메모리가 부족해 처음부터 다시 해 본 경험이 있는 분

  • 논문의 MAC 수치는 읽히는데, 그것이 우리 칩에서 몇 사이클이고 몇 퍼센트인지 환산해 본 적이 없는 분

선수 지식,
필요할까요?

  • 파이썬 기본 문법

  • 넘파이 배열을 다뤄 본 경험 (없어도 수강 가능)

  • 머신러닝 사전 지식은 필요하지 않습니다. 알고리즘은 과정에서 직접 만듭니다

  • 하드웨어 사전 지식도 필요하지 않습니다. 필요한 개념은 그때그때 설명합니다

안녕하세요
EdgeChipLab입니다.

커리어인증

현직 대학교수로 시스템 반도체 30년의 노하우를 담았습니다.

삼성전자 DS부문 시스템반도체 연구원을 시작으로 영국 및 독일법인 Director, 시스템 LSI 마케팅·영업 그룹장을 거쳐서 반도체 공학을 교육하는 교수가 직접 설계하고 검증한 실무형 커리큘럼입니다.

 

이론을 넘어 실제 하드웨어 구현으로, 당신의 엔지니어링 역량을 레벨업합니다.

흩어진 단편적인 지식으로는 결코 도달할 수 없는 영역이 있습니다. 수강생은 완성된 블랙박스 IP를 사용하는 사용자가 아니라, NPU와 CPU를 설계하고 주변장치를 통합하며, 궁극적으로 자신만의 AI SoC를 구축할 수 있는 시스템 아키텍트 공급자로 성장하게 됩니다.

 

눈으로만 보는 강의가 아닙니다. 100% 하드웨어 구현과 Bit-True 검증을 약속합니다.

이론이나 단순한 시뮬레이션에서 끝나지 않습니다. 강사 본인의 KCI 등재 학술 연구와 직접 설계한 회로가 실제 FPGA 하드웨어상에서 오차 없이 동작하는 쾌감을 직접 경험하십시오. 자체 개발한 RISC-V CPU를 포함한 모든 소스 코드는 투명하게 공개되며, 자유롭게 사용하여 보급형 FPGA(Arty S7-25)와 무료 툴(Vivado)만으로 누구나 직접 재현하고 검증할 수 있습니다.

 

단절 없는 풀스택 로드맵 : 기초부터 mini LLM 가속기까지

모든 강의는 독립된 파편이 아닌, 하나의 거대한 시스템을 완성해 가는 여정입니다.

  • Step 1: AI 이론 및 이미지 처리 기초 (Machine Learning 포함)

  • Step 2: AI 가속기(NPU) 설계 및 검증 (Machine Learning 포함)

  • Step 3: RISC-V CPU 설계 및 시스템 통합

  • Step 4: 고급 AI SoC 구현 및 mini LLM 가속 플랫폼으로의 확장 (지속적인 콘텐츠 업데이트)

     

 

객관적 검증 지표

본 과정의 모든 설계 결과물은 글로벌 표준과 학계의 엄격한 검증을 거쳤습니다.

  • RISC-V 아키텍처 검증: 자체 개발 RISC-V CPU, 국제재단 공식 컴플라이언스 테스트(ACT) 통과 및 소스 코드 공개 (GitHub)

  • 학술적 권위: 단독 저자 학술논문 4편 (KCI A등급 저명학술 등재지 IJIBC)

  • 글로벌 인정: 글로벌 아마존 기술 서적 2편 출간 (베스트셀러 3위 달성)

  • 실제 동작 검증 완료: RV32I CPU, NPU, 비전 시스템, GPS, Transformer, AURA-Edge SoC 등 핵심 IP의 Arty S7 환경 완벽 동작

도전하십시오. 직접 코드를 보드에 올리고, 결과를 확인하는 이 과정이 끝날 때쯤, 여러분은 이전과는 완전히 다른 시야를 가진 하드웨어 엔지니어로 레벨업해 있을 것입니다.

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