IBM의 컴퓨터 연구 중에서 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 과제로 4개의 대학과 진행하고 있는 첨단 컴퓨팅 연구가 있다. SyNAPSE(Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics)라고 불리는 이 연구는 컴퓨터 칩을 우리의 뇌가 정보를 처리하는 방식으로 만들어 가는 것이 연구의 핵심이다.
IBM에서는 이렇게 개발된 칩이 우리의 뇌가 할 수 있는 감각과 인지, 상호작용 등이 가능할 것으로 기대하고 있다. 이 프로젝트의 PI(Principal Investigator)인 Dharmendra Modha 박사는 이런 인지컴퓨팅(cognitive computing)이 새로운 세대의 컴퓨터에 있어 가장 중요한 기반 기술이 될 것이라고 주장하고 있다. 실제로 이 연구가 성공적으로 수행되기 위해서는 수퍼컴퓨팅, 신경과학, 나노기술과 같은 최고의 첨단기술이 따로 떨어져 있는 것이 아니라 최신의 연구결과를 공유하고 융합해야만 한다.
현재의 컴퓨터는 비록 그 집적도와 속도는 빨라졌지만, 기본적으로 계산기에서 출발했기 때문에 우리의 뇌가 동작하는 방식과는 다르다. 오늘날의 모든 컴퓨터의 원형이라고 할 수 있는 폰 노이만 방식의 컴퓨터가 가지는 한계를 여전히 최첨단 컴퓨터들도 가지고 있는 것이다. 단순한 작업을 굉장히 빠르고 효율적으로 해내는 것에는 훌륭하지만, 유연성이나 적응력, 진화와 학습 등에 있어서 많은 부분 문제가 있는 구조이다.
이 연구가 결실을 맺어서 상업적으로 이용가능한 뇌와 유사한 칩이 만들어진다면, 기존의 컴퓨팅 환경이 정보를 중심으로 하는 시대를 열었다면, 보다 인공적으로 지능적인 생각을 할 수 있는 컴퓨팅의 시대를 열 수 있을 것이다. 이런 컴퓨터가 등장한다면 비즈니스나 과학을 비롯하여 많은 지식산업 부분에 커다란 반향을 일으킬 것이 분명하며, IBM이 개발하여 이미 세계 최고의 퀴즈쇼 Jeopardy에서도 우승한 바 있는 Watson을 뛰어넘는 컴퓨터들이 많이 등장할 것으로 예상된다. 현재 SyNAPSE 프로젝트는 2008년 11월에 시작되어 1단계 연구를 마친 상태이다. 기초적인 컴퓨팅 유닛을 디자인 마친 것으로, 이제 이 유닛을 마치 뇌와 같이 무수히 많은 수를 만들어서 연결하는 방식으로 확대한다고 한다.
IBM 유럽에서도 이와 유사한 개념이지만, 인간의 뇌를 컴퓨터의 연결로 시뮬레이션하는 블루브레인 프로젝트가 진행되고 있기도 하다.
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현재 SyNAPSE 프로젝트에서 완성시킨 “core”라고 불리는 작은 컴퓨팅 유닛은 인간의 뇌의 신경세포들과 같은 디지털 프로세서를 가지고 있다. 인간의 뇌가 가지고 있는 학습과 기억의 가장 중요한 요체인 시냅스와 조직 간의 연결을 책임지는 축삭(axon)에 해당하는 부분들도 구현을 하였는데, 이런 변화가 간단하게 느껴지지만 기존의 컴퓨터와는 완전히 다르기 때문에 기초유닛을 구성하는 데에도 많은 어려움을 겪었다고 한다. 기존의 컴퓨터의 기초적인 원리인 폰 노이만(von Neumann) 기계는 메모리와 프로세서가 분리되어 있으며, 이들을 연결한 버스(bus)라는 구조가 존재한다. 메모리와 프로세서는 그동안 굉장히 빨라지고, 많은 양을 처리할 수 있게 되었지만, 버스가 이런 용량을 받아주지 못하는 현상이 나타나기도 하였는데, 이를 컴퓨터 과학자들은 “폰 노이만 병목 (von Neumann bottleneck)”이라고 부른다.
그에 비해 인간의 뇌에는 메모리가 프로세서와 함께 자리한다. 이것이 근본적인 차이가 되는데, 뇌의 메모리와 프로세서 통합형 신경세포의 처리 속도는 10 Hz에 불과하다. 이는 최근 GHz 단위를 오가는 클락 스피드를 생각한다면 1억 분의 1 수준인 것이다. 그렇지만, 이런 구조를 가진 프로세서는 기본적으로 병렬프로세싱이 가능하다. 즉, 모든 방향으로 신호를 보낼 수 있으며, 순식간에 여러 프로세서들이 동작하는 상황에 도달하게 된다. 우리의 뇌가 가지고 있는 신경세포의 수는 100억 개가 넘고, 시냅스의 수는 10조 개가 넘기 때문에 이런 엄청난 병렬처리 프로세서에 의해 인간의 뇌가 뛰어난 능력을 보여주는 것이다. IBM에서 흉내내려고 하는 것이 바로 이런 부분이다.
현재의 뇌 컴퓨터 기본단위는 256개의 신경세포로 구성되어 있는데, 유닛 내부의 시냅스는 256×256(65,536)개, 그리고 각각의 신경세포마다 하나 씩 256개의 축삭을 가진다. 그리고, 이 내부에 프로세서, 메모리, 커뮤니케이션이 모두 함께 존재하는 것으로, 현재 수백 만개의 트랜지스터 정도만으로 구축이 가능하다고 한다 (참고로 현재 가장 빠른 마이크로칩의 경우 수십 억개의 트랜지스터가 집적이 되어 있다). 이 과정에 이용된 실리콘 공정은 45nm 공정이며, 262,144개 프로그래밍 가능한 시냅스를 가지게 된다.
이렇게 새로 등장하는 컴퓨터 칩이 기존의 폰 노이만 방식의 컴퓨터를 대체하지는 못할 것이다. 여전히 폰 노이만 방식의 컴퓨터는 수학연산과 직렬 프로세싱, 그리고 정확한 업무용 컴퓨팅에 있어 우월한 성능을 보여줄 것이다. 그렇지만, 인간의 뇌는 폰 노이만 방식 컴퓨터보다 매우 낮은 파워를 사용하며, 필요할 때만 사용되는 부분이 가동되는 매우 효율적인 구조를 가지고 있으며, 훨씬 유연하게 동작한다.
비록 인간의 뇌를 흉내낸 칩이 잘 동작한다고 하더라도 또 다른 난관이 있다. 전통적인 방식으로 컴퓨터 프로그래밍을 할 수가 없기 때문에, 새로운 도구와 모델이 필요하다. 인지컴퓨팅은 기본적으로 경험에서 배우고, 가정을 세우며, 기억을 강화하고, 결과를 보고서 다시 학습을 하는 단계를 거친다. 인간의 뇌가 가지고 있는 시냅스의 구조적인 변화가 분산되고 병렬적인 방식으로 적용되는 것이다. 이 경우 사실 상 전통적인 방식의 프로그래밍이라는 것이 이용될 수가 없다. 아마도 어떤 일을 수행하면서 발생하는 이벤트를 통해 훈련을 하는 방식으로 학습을 시켜야 한다.
현재 IBM에서는 2개의 프로토타입 칩이 완성된 상태로 다양한 테스트가 진행되고 있는데, 2단계에서는 이 칩들을 많이 만들어서 연결하여 컴퓨터를 만들게 된다. 이렇게 만들어진 컴퓨터는 복잡한 정보를 한꺼번에 처리하는 작업과 환경에 다양하게 적응하는 방법을 배우게 될 것이다. 현재 매우 전통적인 비디오 게임인 아타리의 Pong을 잘 수행하고 있으며, 그 밖에도 네비게이션, 영상 및 패턴 인식, 연관 기억 및 분류와 같은 전통적인 인공지능 문제를 푸는 테스트들이 진행되고 있다. IBM은 최종적으로 100억 개의 신경세포와 100조 개의 시냅스를 가진 컴퓨터를 만들려고 하는데, 이는 인간의 뇌를 뛰어넘는 수치이다. 이것이 모두 집적되어도 인간의 뇌의 크기를 넘지않고, 1kw 정도의 전기만 소모한다면 이 컴퓨터로 할 수 있는 일은 정말 무궁무진할 것이다.
마지막으로 이 프로젝트를 소개하는 유튜브 영상을 소개한다. 아직도 갈 길은 멀어 보이지만, 이제는 상당한 가능성은 보여주고 있는 듯하다. 어쩌면 수십 년 이내에 우리는 인간 수준의 인지력을 가진 컴퓨터를 만나보게 될지도 모른다. 그런 세상이 온다면 우리는 무엇을 어떻게 준비해야 할까?
글 : 정지훈
출처 : http://health20.kr/2291