SF 영화 속 인공두뇌, 과연 개발될 수 있을까?

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영화 Ex Machina에서 AI인 엑스 마키나의 머리에 들어갈 인공두뇌를 보여주는 장면.

인간의 두뇌가 지구상의 어떤 물체보다도 복잡하다는데 이견을 달 사람은 없을 것이다. 과학자들은 아직 두뇌와 지능을 완전히 이해하지도 못하고 있고, 그것을 인공적으로 구현하는 도전은 더 더욱 낮은 수준에 머물러 있다.

인공 지능(Artificial Intellegence)은 인공신경망(Artificial Neural Network)이나 심층 신경망(Deep Neural Network)처럼 소프트웨어적으로 구현되고 있지만, 수십년 이내에 엑스 마키나처럼 인간에 버금가거나 인간보다 뛰어난 지능을 가진 AI 로봇, 혹은 영화 트랜센던스(Transcendence)에서처럼 인간의 두뇌-지능이 업로드된 슈퍼컴이 출현할 가능성은 별로 높아 보이지 않는다.

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영화 ‘트랜센던스(Transcendence)’에서 과학자 윌(조니 뎁 연)의 뇌가 슈퍼컴에 업로드되는 장면.

인공신경망 같은 소프트웨어가 실제로 구현되는 현재의 폰 노이만 방식의 컴퓨터는 인간 두뇌와는 비교가 우습게 느껴질 정도로 낮은 기술 수준이다. 슈퍼컴이라는 고성능 컴퓨터라고 별로 다르지 않다. 성능이 현저히 떨어지고, 유연성도 없으며, 덩치도 무지하게 크고, 어마어마하게 많은 전기를 사용하며, 작동 과정에서 열도 많이 발생한다. 그 때문에 트랜지스터 집적 기술, 배터리 기술 개발, 신소재 개발 등에 엄청난 재원이 투입되고 있지만 그러한 발전 방향에 대해 회의적인 시각도 만만치 않다.

그래서 대안으로 추구되어온 방향 중 하나가 인공두뇌(artificial brain)의 개발이다. 인공 지능이 계산, 학습, 기억, 의사결정, 예측 등과 같은 두뇌의 기능을 소프트웨어적으로 모방하려는 노력이라면, 인공두뇌는, 최대한 인간 두뇌와 닯은 물체를 제작하여 거기에서 지능이 스스로 발현되게 하려는 시도이다.

인공두뇌 연구자들은 두뇌-지능의 핵심을 뉴런(neuron)과 시냅스(synapse)의 결합으로 본다. 학습, 기억, 종합, 판단, 예측 등과 같은 지능이 뉴런과 시냅스의 결합으로 이루어진다고 믿기 때문이다.  다시 말해 인공두뇌(artificial brain)이란 인공뉴런(artifical neuron)과 인공시냅스(artificial synapse)로 구성된 물체이다.

스위스의 과학자들이 개발한 인공 뉴런의 모습.

2015년 스위스의 Karolinska Institutet의 과학자들은 인간의 유기적 뉴런과 연결되어 작동할 수 있는 인공 뉴런을 개발했다고 발표했다. 그들의 발표에 따르면 그 인공뉴런에는 바이오센서(amperometric biosensors)와 유기 전자 이온 펌프(organic electronic ion pumps)가 부착되어 있어, 한쪽 끝에서 인간 뉴런으로부터 화학적 신호를 받으면 그것을 전기적 신호로 바꾸어 전달할 수 있으며, 다른 끝에서 그것을 다시 화학물질로 바꾸어 다른 뉴런에게 신호를 보낼 수 있는 기능을 갖추었다고 한다(Simon, et. al., 2015; Wenz, 2015). 문제는 위 사진에서 보다시피 생물체의 뉴런에 비해 아직 크기가 너무 크다는 것이다.

금년(2018년) 1월 Science Advances지에 더욱 획기적인 연구가 발표되었다. 미국의 국립표준연구소(NIST)의 연구팀은 인간의 뇌처럼 학습을 할 수 있는 인공두뇌를 구현했다고 발표했다(Schneider, et. al., 2018). 그 인공두뇌 속의 시냅스는 인간 두뇌의 시냅스처럼 시냅스 가중치가 바뀔 수 있는 가소성(plasticity)을 갖고 있다.

쉬나이더 박사 연구팀은 조셉슨 접합(Josephson Junction)에 자성을 지닌 나노입자들(magnetic nanoclusters)을 절연체(barrier)로 사용하였다. 아래 그림에서 보듯이 연구팀은, SFQ(Single Flux Quantum) 초전도체(superconduct)로 시냅스 전 뉴런을  만들고,  SQID(Superconducting Quantum Interference Device) 초전도체로 시냅스 후 뉴런을 구성하였다.

출처: Schneider, et. al.(2018)

이 인공뉴런에서 획기적인 점은 절연체(JJ synapse)가 마치 인간 두뇌의 시냅스처럼 작동한다는 사실이다. 첫째, 시냅스 전 뉴런에서 일정한 역치(threshold value) 이상의 전류가 흘러들어오면 전류가 절연체를 통과해서 시냅스 후 뉴런으로 흐르며, 둘째, 절연체에 전류 펄스를 반복해서 가하면 자기장(magnetic field)이 형성되고 그 영향으로 나노입자들이 점차 한 방향으로 정렬되면서 전류의 역치가 낮아진다는 것이다. 인간두뇌에서 뉴런의 수상돌기에 들어오는 자극이 강하면 신호가 다음 뉴런으로 전달되고, 동일한 자극이 수상돌기에 반복적으로 들어오면 시냅스 전 뉴런의 (축삭 종말의) 신경전달물질의 분비량이 늘거나 시냅스 후 뉴런의 (수상돌기에) 이온 수용체의 수효가 늘어서 시냅스 가중치(synaptic weight)가 커지는 현상과 유사한 모습이다.

이 인공두뇌는 초전도체로 구성되어 극저온에서 저항없이 전류가 흐르기 때문에 매우 효율적으로 전기 신호를 전달할 수 있다. 그 인공두뇌는 초당 10억회의 전기신호를 전달할 수 있으며(인간두뇌는 초당 50회 정도를 전달), 그 작동에 아주 소량의 에너지만사용된다.  그리고 그 인공시냅스의 직경은 10 마이크로미터(10만분의 1미터)에 불과하다. 한 마디로 인간의 뇌보다 빠르고 효율적으로 작동하는 인공두뇌의 개발 가능성이 열린 것이다(Reardon, 2018).

그러나 리어돈(Reardon, 2018)이 지적하듯이, 복잡한 컴퓨팅을 위해서는 수백만 개의 인공시냅스가 필요할턴데, 과연 인공두뇌의 규모가 그렇게까지 확대될 수 있을 지 아직 미지수이고,  그 인공시냅스들이 절대 영도(섭씨 – 273.15도)에 가까운 극저온에서 작동하기 때문에 액체 헬륨을 사용해서 냉각되어야 하는데, 그럴려면 스마트폰처럼 소형으로 구현되기 어렵다는 문제를 안고 있기도 하다.

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이 두 가지의 획기적인 연구만 보더라도 인간의 뇌에 비견될 수 있는 인공 두뇌가 개발되기까지는 많은 장애가 극복되어야 할 것임이 분명하다. 그리고 앞으로 얼마나 더 많은 시간이 소요될 지 누구도 알 수 없다.

1980년대 후반 절대 영도보다 상당히 높은 온도에서 초전도체가 되는 물질들이 속속 발견되면서 조셉슨 효과를 이용한 ‘초전도체 컴퓨터’가 10년 이내 발명되지 않을까 하는 기대가 있었다(김두희, 1988). 그러나 그 후 30여 년이 흘렀지만 아직 초전도체 컴퓨터가 출현했다는 소식은 없다. 위에서 소개한 미 국립표준연구소 연구팀의 발견이 초전도체 기반의 신경컴퓨터–즉, 인공두뇌–의 등장을 크게 앞당길 지도 모르겠다.

그러나 인공두뇌을 보기 위해서는 최소한 또 한 세대는 기다려야 하지 않을까. SF 영화에서 보는 로봇에 장착될만한 인공두뇌가 제작되려면 과학자들은 이미 지나온 길보다 앞으로 훨씬 더 먼 길을 가야할 것이기 때문이다. (윤영민 2018-04-22)

지능이라는 이름의 게임(8): ‘창조주’가 되고 싶은 인간

인간에게 마지막 남은 미지의 영역은 아마도 생명일 것이다. 생존의 관점에서두뇌-지능은 생명과 가장 근접해 있는 영역이다. 두뇌-지능을 해독하면 인간(인간 대신 A.I.일지도 모른다)은 결국 생명이라는 수수께끼마저 완벽하게 풀어버릴 지도 모른다. 그것이 언제쯤일 지는 누구도 정확히 예측할 수 없겠지만 말이다. 아직 초보적인 수준이지만 인류는 이미 지능적인 기계(intelligent machines) 만들기 경쟁을 시작했다. 연구소와 기업들이 기계학습(machine learning) 혹은 인공지능(A.I.)을 응용한 상품 개발에 질주하고 있다. 스마트폰, 자동차, 스피커, 세탁기, 청소기, 가사 로봇 등등. 아마도 원하던 그렇지 않던 그 경주의 종착역은 ‘창조주(creator)’ 게임이 되지 않을까 생각된다. 지능, 두뇌, 생명의 창조 말이다.

최근에 발표된 Tie-Jun Huang 북경대 교수의 논문, “Imitating the Brain with Neurocomputer”(Internation Journal of Automation and Computing, 2017/10)는 정확히 그 지점을 건드리고 있다. 이 논문을 참고하면서 인공지능(artificial intelligence), 인공두뇌(artificial brain), 그리고 인공 생명(artificial life)에 대해 생각해 보자.

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출전: http://news.mit.edu/2009/ai-overview-1207

Huang 교수는 컴퓨터과학이 자율적(autonomous)이며 범용인(general) 인공지능–그의 표현으로 Artificial General Intelligence, AGI–을 추구한다고 전제한다. 그의 주장이, A.I.에게 결코 자율성을 부여해서는 안된다는 이대열 교수의 주장과 출발부터 충돌하는 것이다. 그리고 AGI를 구현하기 위해서는 지능(intelligence)의 모사가 아니라 두뇌(brain)의 모사에 연구를 집중해야 한다고 역설한다.

그의 주장에 따르면, 현재 득세하고 있는 기계학습(machine learning), 인공신경망(artificial neural network), 그리고 인공 지능(artificial intelligence)은 70여 년 전부터 지금까지 컴퓨터과학의 대세가 되어온 폰노이만(Von Neumann) 컴퓨터라는 패러다임 내에 있다.

1945년 존 폰노이만(John von Neuman)은 “First Draft of a Report on the EDVAC”이라는 논문 초고를 몇몇 지인들에게 돌렸다. 그 글에는 그 후 70년 이상 컴퓨터의 구조를 규정하는 설계가 제시되어 있었다. 폰 노이만이 논란의 여지없는 천재이기는 하지만 아마도 그 저술이 세상에 가장 커다란 영향을 미친 초고 논문이 될 것이라고는 꿈에도 상상하지 못했으리라.

폰 노이만 구조는 중앙처리장치(CPU), 저장장치(memory), 연결 통로(bus), 입출력 장치(I/O)로 구성된다. CPU는 데이터와 명령(instructions, 곧 소프트웨어)를 메모리로부터 불러내어 연산을 수행한다. 데이터와 소프트웨어는 동일한 메모리에 저장되고 동일한 버스로 이동한다.그 글에서 폰 노이만은 자신이 고등동물 두뇌의 작동 원리를 모방하여 컴퓨터의 구조를 설계하고 있음을 분명히 밝히고 있다. 특히 신경세포와 시냅스의 작동 원리를 단순화하여 진공관을 이용한 디지털 컴퓨터 설계에 적용하고 있음을 논문 곳곳에서 서술하고 있다(초고의 원문을 보려면 다음을 클릭: edvac.pdf).

폰 노이만은 복잡하고 지루한 수학 연산을 인간 대신 수행해 줄 기계를 구상했다. 폰 노이만의 설계에 따라 탄생한 디지털 컴퓨터는 지난 70여 년 동안 CPU와 메모리 칩이 진공관에서 트랜지스터 집적으로 바뀌고 데이터와 소프트웨어의 버스가 구분되었으며, 엄청난 컴퓨팅 파워와 처리 속도를 구가하게 되었고, 다양한 소프트웨어의 발달로 수학 연산을 넘어 문자, 이미지, 심지어 동영상까지 처리하고, 소형화를 거듭하고 있으며, 유무선 통신네트워크를 통해 컴퓨터는 물론이고 스마트폰을 비롯한 온갖 정보기기들이 연결되면서 놀라운 변신을 해왔다. 그러나 그럼에도 불구하고 놀랍게도 그것들에는 아직 기본적으로 폰 노이만의 설계가 유지되고 있다.

폰 노이만은 스스로 그렇게 표현하기도 했지만 생물의 신경세포 시스템을 유추(analogy)적으로 사용해서 컴퓨터를 만들었다. 즉, 그는 신경세포 시스템을 추상화시켜 도출한 몇 가지 원리를 가져다 사용했을 뿐 신경세포 시스템을 물리적으로 모사하려고 생각하지는 않았다. 사실 당시로서는 인간 두뇌에 대한 지식도 짧았고, 그것을 구현해 줄 기술도 거의 존재하지 않았기 때문에 놀라운 일이 아니다.

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출전: https://www.tutorialspoint.com/artificial_intelligence/artificial_intelligence_neural_networks.htm

그런데 Huang 교수는 물론이고 인공 두뇌(인공 지능과 혼동하지 말 것)를 연구하는 학자와 전문가들은, 폰 노이만과 앨런 튜링(Alan Turing)에서 출발한 컴퓨터와 인공지능에 대한 연구가 잘못된 방향을 걷고 있다고 생각한다. 그들이 제기하는 비판의 근거는 무엇보다 그들이 인간 두뇌가 어떻게 지능을 생산하는 지를 완전히 이해하지 못하고 있다는 것이다. 만약 그런 방식으로 AGI(그것은 strong AI라고 부르기도 함)를 발명하려면 인간 두뇌와 지능을 완전히 해독해야 하는데, 그것은 1백년 내 실현되기 어려울 것이라는 주장이다. “지능을 만들기(making intelligence)” 위해 먼저 “지능을 이해하기(understanding intelligence)”는 크게 잘못된 접근이라는 것이다. 전자가 후자보다 더 쉬운 작업인데, 후자를 먼저해야 한다면, 그것은 어려운 작업을 먼저 해결한 다음 쉬운 작업을 해결하겠다는 논리적 오류에 빠지는 일이라는 비판이다. 그는 심지어 그러한 접근이 말 앞에 수레를 연결하는 것만큼이나 잘못되었다고 지적한다.

대안으로 그는 모방주의(imitationalism)를 주창한다. 리버스 엔지니어링(reverse engineering)을 통해서 인간 두뇌의 물리적 구조를 밝히고 그것을 모방한 기계를 만들어 가자는 주장이다. 그것은 현실적으로 가능할 뿐 아니라 궁극적으로 인간 두뇌-지능을 이해하는 지름길이기도 하다고 역설한다.

그는 인간 두뇌의 생물학적 신경세포 시스템과 동일한, 혹은 그것과 최대한으로 유사한 물리적 구조를 지닌 컴퓨터를 개발하는 것이 모방주의 접근의 핵심 과업이라고 주장한다.  그 물리적 모방 엔지니어링(physical imitation engineering)의 목표는 신경세포와 시냅스의 기능을 모사할 수 있는 초소형 기기를 개발하여, 궁극적으로 아주 소규모의 물리적 공간과 적은 전력 소모라는 조건 아래에서 인간 두뇌급의 신경망 시스템을 구축하는 것이다. 그것은 신경 컴퓨터(neuromorphic computer, 간략히 neurocomputer)라고 불리는데, 그것에 대한 연구와 개발이 이미 상당히 진척되었다고 한다.

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출전: https://www.slideshare.net/SamMbc/ibm-truenorth

그에 의하면, 2008년 미국의 DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency)는, 1kW의 전력만을 사용하면서(인간 두뇌는 약 30 와트의 전기를 사용함) 인간 두뇌의 신경세포와 같은 수준의 능력을 지닌 전자 기기를 개발하도록 IBM과 몇 개의 대학에 1억달러의 연구기금을 제공하였고, 2013년 유럽은 1억 유로 이상을 투입하여 정보기술과 생명과학을 결합하는 인간두뇌 프로그램을 시작하였으며, 같은 해에 미국의 오바마 대통령은 12년 내에 인간 두뇌의 역동적 지도를 그리겠다는 BRAIN Initiative에 45억 달러가 투입될 것이라고 발표했었다.

실제적인 성과도 가시화되어서, 2014년 8월 Science 지에, IBM은 1백만개의 (인공) 신경세포와 2억5천6백만개의 (인공) 시냅스로 구성된 트루노스(TrueNorth)라는 신경칩(neuromorphic chip)의 개발에 성공했다고 발표했다. 또한 2015년 독일의 하이델베르크 대학은 20만개의 신경세포와 5천만개의 시냅스를 8인치 웨이퍼에 집적하는데 성공했다. 신경컴퓨터는 300억개 이상의 신경세포와 3조개 이상의 시냅스로 구성된 인간 두뇌에 비하면 아직 유아적 수준에도 미치지 못하지만 신경컴퓨터 연구자와 개발자들은 인공신경망이나 인공지능에 비해 신경컴퓨터가 훨씬 빨리 AGI를 구현하게 될 것이라고 믿는다.

출전: http://www.scinexx.de/diaschau-117.html

신경컴퓨터 연구자들의 대전제는 기능(function)이 구조(structure)에서 나온다는 명제이다. 그것은 인간 두뇌의 신경세포와 시냅스와 최대한으로 유사한 물리적 구조를 지닌 지능적 기기–즉, 신경컴퓨터–를 개발하면 인간 두뇌급의 지능이 그것으로부터 창발되고(emerging) 성장할 수 있으리라는 믿음이다.

인공생명(artificial life, A-life)은 인공지능이나 인공두뇌와는 크게 다른 수준의 게임이다. 그것은 신경세포(neuron)가 아니라 신경세포의 세포핵(nucleus) 내부에 존재하는 RNA, DNA, 그리고 단백질을 스스로 창조하는 RNA를 인공적으로 만드는 도전이다. 그것은 생명을 모방하는 객체를 만드는 일일 수도 있고, 진짜 생명체를 창조하는 일일 수도 있다. 인공생명 연구의 아버지라고 불리는 존 폰 노이만–컴퓨터의 구조를 창안한 바로 그 폰 노이만–은 인공생명 연구에도 관심을 가졌다. 그가 일찍 세상을 떠나지 않았다면 인공생명에 대한 연구가 더 일찍 발달했을 지도 모르겠다.

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출전: http://www.maxxtexx.de/dna-dient-als-erfahrungs-speicher-fuer-nachkommen/

폰 노이만은 생명의 핵심이 자기복제(self-reproduction)에 있다고 이해했다. 그의 정의에 따르면 오늘날 자기복제가 가능한 컴퓨터 바이러스는 하나의 인공생명이라고 말할 수 있을 것이다. 그러나 엄밀히 말하자면 그것은 진짜 생명이 아니라 생명의 흉내내기에 지나지 않는다. 물론 그것만으로도 인류를 위협할 정도이지만 인공적으로 창조된 생명체와는 거리가 아주 멀다. RNA, DNA, 단백질 등으로 구성된 세포핵을 지닌 생명체인 인간이 세상을 인식하고, 자신을 의식하며, 성장하고 진화하고, 자신을 재생산하는 위대한 모습을 생각해 보라.

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출전: https://hubpages.com/education/inspiringpeople

인공생명의 연구와 개발은 아직 인공지능은 말할 것도 없고 인공 두뇌의 연구에 비할 바가 아닐 정도로 낮은 수준이다. 그러나 향후 20~30년 후 기술적 특이점(singularity)–기계의 두뇌가 인간의 두뇌를 넘어서는 시점–을 지나고 나면 인공지능, 인공 두뇌 그리고 인공생명에 대한 연구는 인간 자신이 아니라 A.I.나 인공두뇌에 맡겨질 지도 모른다. 그렇게 되면 인공 생명, 나아가 생명의 창조의 시기가 크게 앞당겨질 지도 모를 일이다. 바로 그 시점이, 인간이 진정한 창조주로 등극하는 순간이다!

그런데, 그런데…. 과연 그것이 인류에게 축복일까 저주일까? 페이크 뉴스(fake news) 정도로 크게 흔들리는 인간 문명이 과연 인공지능, 인공두뇌, 그리고 인공생명을 사회적으로 감당할 수 있을까? 다음에는 이 문제를 생각해 보자. (윤영민, 2018-02-26)

<참고 문헌>

Huang,  Tie-Jun. 2017. “Imitating the Brain with Neurocomputer”, Internation Journal of Automation and Computing 14(5). Pp.520-531.

von Neumann, John (ed. by Michael D. Godfrey). 1945. “First Draft of a Report on the EDVAC.”  http://history-computer.com/Library/edvac.pdf