알아봅시다 [알아봅시다] 사람처럼 생각하는 `시냅스 칩`

진공관 방식의 컴퓨터가 처음 등장한 이후, 지금까지 컴퓨터를 대표로 한 인공지능의 역할은 주로 논리적이고 정량적인 데이터를 처리하는 인간의 '좌뇌' 기능을 수행해 왔습니다. 그러다 보니 컴퓨터가 원하는 방식의 데이터를 입력해 주지 않을 경우 소위 '에러'가 발생합니다.

분명 컴퓨터는 인간보다 연산에는 강합니다. 하지만 여러 가지 정보를 종합적으로 분석해 실제 환경에서 닥치는 모호한 상황에 대한 답을 찾는 데는 한계가 있습니다.

다시 설명하면, 메모리 영역과 처리 영역이 분리된 현재의 '좌뇌형' 컴퓨터들은 70년이나 된 폰 노이만 구조를 따르고 있으며, 사전에 작성한 'X 이면 Y'를 수행하는 방정식들을 실행하는 방식으로 작동하고 있습니다. 이 경우 오늘날 그 규모가 더 크고, 더 빠르며, 더 다양해지고 있는 빅데이터가 등장함에 따라 이와 같은 형태의 컴퓨팅 모델은 사람들과 조직들이 처리해야 하는 방대한 정보를 처리하고 인식하는 데 더이상 적합하지 않게 됐습니다.

그런 한계를 극복하기 위해 인간의 '좌뇌'와 같은 기능을 하는 컴퓨터를 개발하기 위한 과학자들의 노력은 계속됐습니다. 그중 하나가 인간의 우뇌형 능력을 부여하는 '시냅스' 칩입니다. 지난 8월 IMB에서 선보인 이 칩은 마치 인간의 두뇌처럼 프로그래밍이 가능한 100만개의 뉴런과 2억5600만개의 시냅스로 1와트의 전력만으로 초당 460억번의 시냅틱(각 시냅스 사이에서 데이터를 주고받는 활동)이 가능합니다. IBM은 이를 '뉴로시냅틱'이라고 부릅니다. 마치 사람처럼 뉴런과 시냅시스의 교착 사이에서 발생하는 현상을 재생하는 고급 알고리즘과 실리콘 회로를 뜻합니다. 이 칩을 개발하기 위해 미국 국방부 산하 고등연구계획국(DARPA)는 2008년부터 시냅스 인지 컴퓨팅 프로젝트를 위해 총 4단계에 걸쳐 약 5300만달러의 연구비를 후원했으며, IMB과 코넬공대, 이니랩스 등이 참여하고 있습니다. 이 칩은 삼성전자의 28㎚ 공정 기술이 적용돼 만들어졌습니다.

IBM이 개발한 이 칩은 1와트(W)로 초당 460억번 시냅틱 처리를 할 수 있습니다. 54억개의 트랜지스터가 작동하는 이 칩은, 모든 기능을 갖추고 생산 가능한 CMOS(상보성금속산화반도체) 칩 중 가장 크지만 생물학적으로 실시간 작동시 소비 전력은 최신 마이크로프로세서보다 훨씬 적은 70mW에 불과합니다.

특히 폰 노이만 구조가 정보를 처리하는 부분과 저장하는 부분이 나뉘어 있어 순차식으로 처리하는 과정에서 병목현상이 발생해 느려지는 데 반해, 새로운 시냅스 칩은 연산부분과 메모리, 통신이 통합되었고, 필요시에만 작동하는 이벤트 구동 방식으로 낮은 전력 소비와 발열이 거의 없는 운영 환경을 제공합니다.

또 4096개의 분산된 디지털 뉴로시냅틱 코어로 구성된 2차원 온 칩 메시 네트워크(인터넷망을 이용하지 않고 컴퓨터와 컴퓨터를 직접 연결해 정보를 주고받는 메시 네트워크가 칩에 내장된 형태)를 갖추고 있습니다. 이 칩들은 타일 구조로 배치할 경우 칩들이 서로 연결되어 인간 두뇌의 대뇌 피질처럼 자유롭게 서로 소통하며 확장 가능한 뉴로모픽 시스템을 가능하게 합니다.그럼 시냅스 칩은 어떻게 쓰일 수 있을까요. 시냅스 생태계는 다양한 종류의 센서데이터를 수집하고 상황별 정보를 실시간으로 분석·통합해 복잡한 실시간에서 발견되는 모호한 상황에 대한 해답을 제시해 줍니다. 마치 사람이 하나의 결정을 할 때 필요한 공간과 감각 등 여러 조건을 즉각적이고 종합적으로 고려하는 '현명한 선택'을 컴퓨터가 대신해 줄 수 있게 된다는 뜻입니다.

다소 극단적인 예를 들면, 이 뉴로시냅스가 적용된 슈퍼컴퓨터를 통해 현시점에서 사랑 고백을 해야 하는지 말아야 하는지에 대한 확률 높은 솔루션을 제공해 줄 수도 있습니다. 장소 조건과 상대방과의 관계, 상대방의 심리적 상태, 이 시점에서 가장 확률 높은 고백 방식 등 복합적인 환경 조건을 종합적으로 판단할 수 있기 때문입니다. 그것도 최소의 에너지를 사용해서 해 주기 때문에 친환경적이기도 합니다. 이를 다르게 해석하면 인간의 두뇌만큼 효율적인 컴퓨터 기술은 없다는 말도 역설적으로 입증해 줍니다.

인간의 두뇌는 약 1000억개의 뉴런과 1000조개의 시냅스로 구성돼 있는 것으로 전해지고 있습니다. 만약 이 칩을 하나의 보드에 약 1000만개를 넣는다면 사람의 두뇌 수준의 성능을 발휘하는 뉴로시냅틱 슈퍼컴퓨터가 될 수도 있습니다. 실제 이를 개발하기 위한 움직임도 있습니다. 아직 사람 두뇌를 따라잡기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요하지만 언젠가는 사람의 지혜까지 담은 컴퓨터가 등장할 것으로 예상됩니다.

박정일기자 comja77@dt.co.kr,

자료제공=한국IBM