인공지능 제 4강

인공지능은 컴퓨터 상에 구축된 인공 신경망(Artificial Neuron)을 통하여 머신러닝으로 학습을 합니다. 그 결과 RAM 메모리와 CD-ROM 저장장치에 축적된 데이터(정보와 지식)를 불러와서  일(인간이 시킨 Task)을 합니다.

메모리(Memory)는 컴퓨터에 저장된 데이터, 정보와 지식을 말합니다. 컴퓨터가 켜져있을 동안에만 작동하는 메모리를 휘발성(Volatile) 메모리 또는 그냥 메모리라고 합니다. RAM, ROM, Register, Cache Memory를 메모리라고 합니다.

반면 CD Rom이나 Disk에 저장된 메모리는 컴퓨터가 켜지거나 꺼져도 항상 살아 있습니다. 이런 메모리를 비휘발성(Nonvolatile) 메모리 또는 저장 메모리라고 합니다.

메모리는 데이터, 정보와 지식으로 나누기도 합니다. 데이터(Data)는 메모리가 있는 그대로 상태인 원천 자료를 말합니다. 정보(Information)는 어떤 목적으로 가공한 데이터를 말합니다. 지식(Knowledge)은 컴퓨터의 Task 처리에 알맞도록 가공한 정보를 말합니다.

새로이 인공 신경망이 나오니 본강의 시리즈가 더욱 어려워진 셈입니다. 
인공신경망은 인간의 두뇌 신경망을 본떠서 만듭니다.

두뇌 신경망은 수상(가지)돌기(In), 신경 세포핵(정보처리)과 축색돌기(Out)로 구성되어 두뇌 정보가 흐르게 합니다. 
수상돌기로 받아들인 정보(미세한 전기의 흐름)는 신경 세포핵에서 집약이 됩니다. 그 정보의 크기가 문턱치(Threshold)를 넘으면 축색돌기로 내보내고, 이웃 신경과 연결된 시냅스(Synapse)를 통하여 그 정보(특정 화합물 전달)를 흐르게 합니다. 생각, 학습, 의지 등 거의 모든 두뇌작용은 이런 두뇌신경망의 신경정보 흐름을 통하여 이루어 집니다.

 두뇌 신경망이런 신경망을 본떠서 AI에 적용한 것이 바로 인공신경망 입니다.

이하 3강에 관련된 항목을 하나씩 설명 합니다. 컴퓨터가 일을 하는 디지털 논리회로부터 시작합니다. 컴퓨터에서 일을 하는 CPU가 연결된 망을 디지털 논리회로라고 합니다. 앞 강의에서 배운 기계어를 사용하여 반도체 IC Chip 상에 전기를 단속시킨 비트 명령어로 일을 시키면,  CPU가 그대로 일을 합니다. AI가 머신러닝을 하는 연결망도 또한 디지털 논리회로 입니다.

디지털 논리회로의 핵심은 게이트(Gate) 장치입니다. 그 장치가 하는 일의 내용은 논리처리 입니다. 그런 연유로 디지털 논리회로라고 합니다.

디지털은 명령어의 언어가 이진법 Bit로 구성되었기 때문이고, 논리회로는 논리 처리를 하기 때문에 논리가 들어가 있습니다. 디지털 비트는 앞 강의들에서 설명했습니다.

본격적인 논리 처리로 들어갑니다. 논리는 어떤 일의 앞뒤가 들어맞는 이치입니다. 그 이치는 진리를 다룹니다. 진리가 맞으면   참(True)이라 하고, 틀리면 거짓(False)이라고 합니다. 참을 비트 1이라 하고 거짓을 비트 0라고 하는 논리 처리 장치가 바로 게이트 입니다.

게이트는 그림으로 설명해야 이해가 쉽습니다.

게이트는 입력 통로 2개( A, B)와 논리처리 장치 1개 및 출력 통로 1개(Y)로 구성되고, 이 입력 통로 A와 B에 전기를 단속시키는 트랜지스터 스위치를 각각 달아서 완성시키면 작동을 하게 됩니다.

그 논리 처리 결과는 비트 1과 비트 0을 생성시키는 것입니다. 그 논리처리의 기본 게이트는  AND, OR 와 NOT Gate 3 종류가 있습니다.

트랜지스터 스위치는 비트 1과 비트 0을 생성시켜서 논리 게이트의 입력 통로에 각각 넣어 줍니다. 그림에는 2 입력 게이트 이지만, 3 입력도 있고, 8입력과 16, 32 등 필요에 따라서 그 규모를 키울 수도 있습니다.

그 논리처리 과정을 그림처럼 논리기호로 나타내고, 그 처리결과를 진리표에 정리합니다.

그 처리 결과를 보면 다음과 같습니다. 

AND Gate는 두 입력 모두 비트 1이되면 출력 비트 1을 생성해내고, 나머지는 모두 비트 0을 생성해 냅니다. 

OR Gate는 최소한 입력 하나라도 비트 1면 출력 비트1을 생성해 내고, 둘 다 비트 0이면 출력 비트 0을 생성해 냅니다. 

NOT Gate는 입력과 출력이 정반대 입니다. 비트 1을 입력하면 비트 0을 출력하고, 비트 0을 입력하면 비트 1을 출력해 냅니다.

그림의 논리기호와 진리표를 보면 게이트의 작동 원리를 더욱 잘 알 수 있습니다.

그런데 트랜지스터는 어떻게 논리게이트에 비트 1과 동 0을 넣어주는 스위치 작용을 하나요?

트랜지스터 또한 그림을 봐야 작용 원리를 잘 알 수 있습니다. 트랜지스터의 가장 많이 사용되는 종류는 MOSFET(금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터) 입니다. Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor 라는 긴 이름의 트랜지스터 입니다.

이 MOSFET에 5 볼트 전압을 흘리면, 트랜지스터 통로에 전기가 흘러서 비트 1을 생성해냅니다.
MOSFET의 N-type 불순물 반도체는 중간이 떨어져 있어서 전기가 통하지 않습니다. 

MOS에 5 볼트 전압을 걸어주면 Oxide 아래에 전자(-전하)가 모여들어서 N형 전하 통로를 만듭니다. 그렇게 되면 양 극단 N형 반도체와 새로 생성된 N형 Channel 간에 전기가 흘러서 모스펫 트랜지스터에 전기가 흐르는 것입니다. 그렇게 되면 Switch On이 됩니다.
반면 0 볼트 전압을 흘리면 TR 통로에 전기가 흐르지 못하여 Switch Off로서 비트 0을 생성해 냅니다.

이렇게 생성된 비트 1과 비트 0이 논리게이트에 흘러서 논리처리 결과가 나옵니다.

논리 게이트를 모아서 논리회로를 만듭니다. 논리회로는 논리게이트만을 모아서 만든 조합  논리회로와 논리게이트와 메모리가 연결되어 작동하는 순차  논리회로가 있습니다. 

조합 논리회로의 대표격은 반가산기(Half-adder) 입니다. 순차논리회로의 대표격은 RAM  Memory로 쓰이는 Flip-Flop 입니다.

컴퓨터의 장치는 CPU(ALU+CU), MEMORY, INPUT, OUTPUT, BUS, MONITOR의 기본장치가 있습니다. 

더욱 세분하면 CLOCK, RAM, ROM, COUNTER, CACHE, REGISTER, INCODER, DECODER, MULTI-FLEXER, DEMULTI-FLEXER, FLIP-FLOP, LATCH 등이 있습니다. 이들은 조합논리회로나 또는 순차논리회로로 묶여 있습니다. 따라서 모두 디지털 논리회로와 게이트가 적용됩니다.

이들을 세부적으로 설명하지는 않습니다.

이 강의의 핵심 내용은 컴퓨터나 AI가 인간이 시키는 일을 하는 비트1과 비트 0으로 구성된 디지털 논리 게이트, 동 논리회로와 트랜지스터 입니다. 이들이 컴퓨터, 인공지능과 양자컴퓨터의 핵심 장치입니다.

디지털 논리 게이트가 하는 일을 축약하면; 
디지털 명령어를 메모리에서 불어와서 논리처리를 하는 것입니다. 
또한 메모리 장치에 정보나 데이터를 저장하고 불러와서 논리처리를 하게 하는 것입니다. 그 논리 처리 속에는 포탈사이트(예 구글) 정보 검색과  AI의 머신러닝도 역시 포함됩니다.

과거 로마가 세계를 통치하던 시절, 길은 로마로 통한다고 했습니다. 그 길을 따라서 로마 군대를 보내어 세계를 점령하고 지배했지요.

오늘날 디지털과 인공지능 기기들의 연결은 디지털 논리회로로 통합니다. 이 길을 따라서 살아있는 데이터, 정보와 지식을 흘려, 디지털 기기들은 가상세계(Virtual Reality)를 점령하고 지배합니다.

더욱 나아가 디지털 논리는 인터넷 길을 통하여 세계 구석구석을 누빕니다. 아프리카 오지도 가고 남극과 북극을 거침없이 헤졌습니다. 유리섬유 속과 공기 속도 꿰뚫고 달립니다. 빛의 속도로 달립니다. 인터넷은 세계 만민의 언어길 입니다.

이런 가상세계에서는 선점(先占)이 승패를 가릅니다. 우리가 이 어려운 AI 강의를 공부하는 것도 바로 선점하여 이해하면서 편하게 살기 위함입니다.

4. 인공지능과 머신러닝으로 이어집니다.