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IBM이 $1.3B을 들여서 유럽에서 수퍼컴퓨터로 인간의 뇌를 흉내내는 Blue Brain Project를 진행하고 있다는 것은 이 블로그를 통해 몇 차례 소개한 바 있다. 그런데, 최근에는 그 이상으로 인간의 뇌를 닮은 컴퓨터 칩과 컴퓨터를 만드는 노력도 많아지고 있다. DARPA와 진행하고 있는 인간의 뇌와 유사한 방식의 연결성을 가진 SyNAPSE 프로젝트는 이미 외부에 상당히 알려지기 시작했고, 최근에는 3D 회로를 구성하고 운용할 수 있도록 하기 위해 액체를 흘려보내서 냉각도 시키고, 전력도 분산시키는 새로운 디자인도 성과를 내고 있다는 소식이 들린다.



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이런 최근의 움직임을 포괄적으로 인지컴퓨팅(Cognitive Computing)이라는 용어가 나오고 있는데, 아마도 퀀텀컴퓨팅(Quantum Computing)과 함께 앞으로 융합컴퓨터과학의 탄생과 발전에 커다란 화두가 될 것 같다는 생각이다. 컴퓨터를 인지 시스템으로 본다면 단지 프로그래밍 된데로 일을 수행하는 것이 아니라, "무슨 일이 진행되고 있는지 인지를 하고, 판단을 하며, 외부와 커뮤니케이션을 하고, 경험을 통해 배운다"는 것이 가능해야 할 것이다. 이런 목표를 가능하기 위해서 그동안 컴퓨터 과학 분야에서 무던히도 열심히 연구를 했던 분야가 인공지능(Artificial Intelligence)였다. 어떤 측면에서는 전통적인 소프트웨어를 중심으로 도전했던 인공지능의 목표가 이제는 좀더 입체적인 접근이 가능하도록 개방을 하게 되고, 융합적인 시도를 하면서 과거에 풀지 못했던 문제를 조금이나마 풀 수 있지 않을까 살짝 기대도 된다. 결국 달리 말하자면, 인지컴퓨팅과 시스템을 이해하기 위해서는 컴퓨터 과학을 공부하는 사람도 인간의 뇌에 대해서 공부할 필요가 있다는 이야기도 된다.


최근 IBM이 발표한 3D 칩의 상용화를 위해 액체를 흘려보내는 컴퓨터와 관련한 기술도 이런 접근방법의 일환으로 이해할 수 있다. IBM은 뇌처럼 낮은 수준의 에너지를 소비하면서 동시에 효과적으로 대규모 병렬처리를 하는 기계에 관심이 많았는데, 사실 인간의 뇌야 말로 수천 만년 이상의 시간 동안 자연이 선택해서 진화시킨 정보처리 디자인의 현존하는 최고의 기계라고 해도 과언이 아니다. IBM의 인공지능 관련 연구에서 최근 가장 각광받는 왓슨(Watson)은 어떨까? 사실 왓슨이 '제퍼디(Jeopardy)'를 통해 스타덤에 올랐고, 뒤를 이어 미국 최고의 암센터 몇 곳에서 그 유용성을 증명하고 있는 것은 사실이지만, 과대평가된 점이 없지 않다. 학습하고, 적응하는 알고리즘과 매우 빠른 속도의 연산으로 여러 가지 핸디캡을 극복한 것은 높게 평가할 수 있겠지만, 왓슨이 이런 처리를 위해 사용하는 에너지는 약 85kW에 이른다고 한다. 인간의 뇌가 약 20W 정도를 쓴다고 하니, 왓슨이 쓰는 에너지는 4천 명이 넘는 사람들이 동시에 머리를 굴리고 있는 수준이라고 볼 수 있다. 어찌 보면 무척이나 불공정한 비교가 아닌가? 그런 측면에서 최근 IBM에서는 전통적으로 컴퓨터의 수행성능을 비교할 때 이용한 초당 연산(명령어 수행)수치와 함께 주울(에너지 단위)당 연산수, 그리고 얼마나 작은 크기에서 연산을 처리하는지를 중시하는 리터(부피 단위)당 연산수를 중시하는 방향으로 움직이고 있다는 소식이다. 


에너지와 부피를 줄이고, 연산을 효율적으로 하기 위해서는 컴퓨터 칩의 디자인이 많이 달라져야 한다. 현재의 2D 컴퓨터 회로는 공기와의 접촉면을 늘리는 방식으로 발산되는 열을 식히고 있다. 가장 이상적인 것은 클럭의 주파수를 적게 해서 (인간의 경우 10~20Hz에 불과하다), 발열 자체가 적게 나도록 하는 것이 좋겠으나, 일단 발열 자체를 잡으려면 클락 스피드를 낮추어야 하는데, 이는 결국 성능을 줄이는 방향이므로 선택하기 어려운 방향이고, 발열 자체는 피할 수 없다고 보고, 어떻게 식힐 것인지에 촛점을 맞추는 것이 현실적이다. 실제로 컴퓨터 칩에 파워를 공급하고, 연산을 통해 발생되는 열을 처리하기 위해서 집어넣은 구조물 등이 차지하는 부피가 실제 컴퓨터 연산에 필요한 부피에 비해 월등히 크기 때문에, 적은 부피에 효율적인 연결의 수를 늘린 대규모 병렬컴퓨팅 기술을 위해서는 효과적인 냉각과 에너지를 공급하는 3D 컴퓨터 회로 디자인이 필수적이다. 삼성전자에서 최근 3D 메모리 반도체를 만들 수 있는 기술을 발표했는데, 이 역시도 같은 맥락에서 중요한 기술이라고 할 수 있다. 그런데, 이렇게 3D로 칩을 설계하면 공기와의 접촉면적이 급감하기 때문에 가장 큰 문제가 발열을 처리하는 방법이다. 이 문제를 해결하기 위해 제안되고 IBM에서 구현해 발표한 Aquasar라는 프로토타입은 인간의 뇌의 혈관과도 유사한 액체 채널을 설치하고 여기에 액체를 빠르게 순환시키는 3D 구조를 가진 컴퓨터이다. 인간의 뇌혈관이 주로 산소와 당분과 같이 인간의 뇌세포가 생존하는데 필요로 하고, 에너지로 쓸 수 이는 연료를 공급하며, 뇌세포의 노폐물과 이산화탄소 등을 제거하는 역할을 한다면, 3D 컴퓨터 칩의 경우에는 연료에 해당하는 전기는 직접 공급을 받으니 문제가 없지만, 연산을 하면서 발생하는 열을 제거하는데 이런 채널을 이용하는 셈이므로 인간의 뇌의 구조와 어느 정도 닮았다고 할 수 있겠다. 이 기술은 현재 독일의 수퍼컴퓨터인 Super MUC에 탑재되어 운용되고 있는데, SuperMUC는 다른 기술이 접목된 비슷한 시기의 비슷한 급의 수퍼컴퓨터에 비해 40% 정도 적은 에너지를 소모한다고 한다.


여기에서 한 발 더 나아간다면? 아마도 에너지를 공급하는 쪽도 인간과 같이 액체를 활용할 수 있을 것이다. 이런 목표로 진행하는 프로젝트가 이번에 프로토타입을 발표한 레독스 플로우 배터리(redox flow battery)라는 것으로 전선으로 에너지와 파워를 공급하는 것이 아니라 액체로 이를 공급하는 것이다. 이것이 어떻게 가능할까? 실제로 인간의 신경세포에서 전기신호가 전달되는 방식을 이해하면 이것이 반드시 불가능한 이야기는 아니라는 것을 금방 알 수 있다. 인간의 몸에는 전해질이라는 것들이 있고, 이들의 농도차이에 의해 전기포텐셜(electric potential)이라는 것이 발생하는데, 이것의 이동의 병합, 자극과 저해 등의 활동에 의해 인간의 신경시스템이 동작한다. 레독스 플로우 배터리는 음이온과 양이온이 우세한 2개의 액채 채널이 3D 칩을 이동하면서 전기에너지를 공급한다. 에너지의 공급과 발산되는 열의 흡수를 동시에 같은 채널에서 할 수 있게 되면, 이는 결국 인간의 뇌의 형태와 거의 유사해진다. 현재 IBM에서 개발한 프로토타입은 100마이크론(0.1mm, 대략 인간의 머리카락 정도의 굵기) 정도의 폭을 가진 튜브를 통해 0.5~3V 정도의 전압과 1평방센티미터당 1W 정도의 전력을 공급할 수 있다고 한다. 아마도 실용성을 갖춘 시스템이 나오려면 아마도 10년 정도는 더 걸릴 것으로 생각되지만, 이렇게 저전압에 저전력 시스템이기는 해도 돌아가는 프로토타입이 나왔다는 점은 크게 평가할 수 있을 것 같다. 



참고자료:


IBM unveils computer fed by 'electronic blood'

How IBM is making computers more like your brain. For real


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