인공지능 제 3강

반도체는 인공지능 모델에 전기가 흘러서 비트(Bit) 부호를 생성하여, 우리가 명령하는 언어로 대화를 하게 합니다.

또한 그 대화 통로를 아주 얇게 한 IC Chip을 가공하게 합니다. 손바닥에 쏙 들어가는 스마트폰에 인공지능 모델이 들어가게 하는 것도 바로 반도체로 만든  초집적회로(Ultra Large Super Integrated IC, ULSI IC) 내 IC(집적회로, Integrated circuit)의 두께가 Nano(십억분의 1) meter 단위이기 때문입니다.

그 소재는 바로 규소(Silicon) 입니다. 규소는 천연상태로는 절연체로서 전기가 통하지 않습니다. 그러나 이 물질에 인(P)이나 붕소(B)를 혼합하면 전기가 통하게 됩니다. 어떻게 그렇게 되나요?

이 물음에 대하여 이해를 하려면 양자역학(量子力學)을 알아야 합니다. 또 양자역학은 무엇인가요?

우주에는 118가지 물질과 암흑물질 및 암흑에너지가 있습니다. 암흑물질과 암흑에너지는 과학적 주장은 있지만, 아직 그 정체를 밝혀내지 못하고 있습니다. 118가지 중의 거의 대부분은 수소(H)와 헬륨으로서 99% 이상을 차지합니다. 나머지가 질소(N), 산소( O)와 탄소(C) 등의 원소(元素) 이지요.

그 오랜 소시적 중고등학교에서 배운 화학의 세계로 들어갑니다.

물질(Matter)은 부피가 있어 공간을 차지하고, 질량이 있어 무게를 느낄 수 있는 모든 것을 가리킵니다. 예를 들면 공기, 물, 철, 나무와 사람 등이 바로 물질이지요.

원소(Element)는 더 이상 다른 물질로 나눌 수 없는 기본적인 성분을 말합니다. 원소는 원자로 구성되고, 우주에 118가지 종류가 있습니다. 그 중 99% 이상은  수소와 헬륨이기에 나머지 질소, 산소와 탄소 등 116가지는 1%가 채 되지 않습니다. 우주에는 이들 원소 이외에 암흑 물질(Dark matter)과 암흑 에너지가 있습니다.

반면 지구상에는 질소, 산소와 탄소등이 많고 수소와 헬륨은 아주 적습니다. 수소는 대부분 물속에 산소와 화학적으로 결합되어 있지요.

원자(Atom)는 물질을 구성하는 가장 작은 입자(Particle) 중 하나 입니다. 물질의 최소 단위 원소는 고유한 원자 구조를 가지고 있습니다. 물질 수소 원소는 1원자 이고, 천연 원소 중 가장 무거운 우라늄(U)은 92원자 이지요. 우라늄 이후 원소는 모두 합성 원소입니다. 마지막 오가네손(Og)은 118원자 입니다. 지금도 과학자들은 119번 원소를 발견하기 위하여 힘든 노력을 하고 있지요.

원자는 양성자(Proton), 중성자(Neutron)와 전자(Electron)로 구성되어 있습니다.

그런데 그렇게 미세하게 작은 원자는 왜 깨어지지 않나요? 원자가 깨어지면 인간, 지구, 태양, 은하계와 우주가 깡그리 사라집니다. 원자 내 양성자와 중성자는 강한 핵력(강력)이라는 우주에서 가장 큰 힘으로 뭉쳐 있어서 깨어지지 않지요. 뉴튼 역학적으로 생각하면 도저히 이해가 안 됩니다. 

우주의 4대 힘은 강력, 약력, 전자기력과 중력입니다.

분자(Molecule)는 두 개 이상의 원자가 결합한 입자입니다. 같은 종류 또는 다른 종류의 원자가 화학 결합으로 연결된 것입니다. 분자는 독립적인 물질의 성분을 가집니다. 물(H2O)은 수소 2원자와 산소 1원자로 화학 결합 했지만 전연 다른 성분을 가지고 있지요. 또한 천연 산소(O2)와 오존(O3)은 각각 산소로 구성되지만 그 성분은 전연 다르지요.

이렇게 분해한 물질의 구성인자 중 원자 이하를 양자(Quantum)라고 부르며, 이들이 움직이는 원리를 모아서 양자역학(Quantum mechanics) 이라고 부릅니다.

양자 역학은 과거 학창시절에는 배우지 못했습니다. 그 원리 중에는 양자 중첩(Quantum Superposition)과 양자 얽힘(Quantum Entanglement)이라는 난해한 이치가 있습니다.

우리가 배웠던 뉴튼역학(Newton mechanics)의 원리와는 전연 다른 것이지요. 뉴튼 역학의 핵심은 힘(F)=질량(M)×가속도(A) 입니다. 또한 만유인력도 있지요.

양자 역학은 별도의 양자 컴퓨터를 강의할 때 자세히 설명합니다. 여기서는 개념만 설명하고 넘어 갑니다.

양자 중첩은 양자의 존재가 중첩되어 있다는 것입니다. 비트에 적용하면 비트 1과 비트 0이 상호 중첩되어 있지만, 이를 측정하면 그 중 하나로 결정된다는 것입니다. 그것도 중첩된 존재의 확률에 의하여 결정된다는 아리송한 원리 이지요. 

또한 양자 얽힘은 양자의 성질이 서로 얽혀 있어서, 그 얽힌 한 짝을 측정하면 나머지는 자동으로 알게 된다는 이치를 말합니다. 쉽게 이해하기 어렵지요.
이런 양자의 성질을 이용하여 양자컴퓨터를 만듭니다.

요즘 이 양자컴퓨터의 성능으로 인하여 금융기관의 거래시에 사용하는 암호(Password) 체계에 비상이 걸렸습니다. 패스워드는 RSA라는 인수분해를 적용한 구조 입니다. 인수분해의 추억을 상기합니까? 15=5×3 소수곱으로 분해하는 원리 입니다. 이런 원리는 유치원생이라도 암산으로 척척 풀어내지요. 그러나 RSA 암호는 몇천 만 ~몇천 억 단위의 소수(素數) 곱으로 만듭니다. 여러분은 *6,265,590,688,501*을 소인수분해 할 수 있습니까? 이런 암호의 인수분해는 현존 수퍼컴퓨터라도 풀어내지 못합니다. 그래서 금융 On- line 거래 Password는 아주 안전 합니다. 

그러나 양자컴퓨터의 쇼어 알고리즘은 단 한 번의 연산으로 *12,978,337x482,773* 라는  소인수분해를 제깍 해치운답니다.
그러나 쇼어 알고리즘 양자컴퓨터는 아직 상용화가 되지 않아서, 현재까지는 패스워드가 안전합니다

AI에 적용되는 양자역학으로 되돌아 갑니다. 원자 속에는 양성자와 중성자가 원자핵을 구성하여 그 중심에 자리잡고 있습니다. 그리고 전자가 이 원자핵을 회전하고 있습니다. 그런데 일반적으로 회전이라면 원심력과 구심력이 동시에 발현되어 구(球)의 표면을 돌고 있지요.

전자의 회전은 구름처럼 이리 저리 여기 저기를 돕니다. 그 도는 경로도 정원(正圓)이 아니면서 확률처럼 돌기에 쉽게 종잡을 수가 없습니다. 

그러나 그 확률적 회전에도 원리가 있습니다. 바로 전자껍질의 원리 입니다.
물질의 원자속 전자는 회전 껍질을 이루어 원자핵을 돕니다. 물질 속에는 그 물질의 원자번호에 해당하는 전자가 있습니다.

수소는 1전자 이고 헬륨은 2전자 입니다. 반도체 소재로 사용하는 실리콘은 14전자 입니다.

그 전자의 회전하는 껍질(Shell)의 구조는 다음과 같습니다. 

제1껍질 2전자, 제2껍질 8전자, 
제 3껍질 18전자, 제4껍질 18전자, 제5껍질 32전자,
제6껍질 32전자 이하 생략.

14전자 실리콘의 전자 껍질은 제1껍질 2전자, 제2껍질 8전자, 제3껍질 4전자(2+8+4=14)로 전자 구름을 이루어 그 원자핵을 돌고 있습니다. 전자 껍질과 껍질 사이는 텅 비어 있습니다. 전자의 크기는 양성자 보다 엄청나게 작습니다.

전자의 마지막 껍질을 최외각 전자껍질 이라고 합니다. 이 최외각 전자껍질은 8전자를 이루어 안정적으로 돌려는 성질이 있습니다. 실리콘의 최외각전자 4개는 상하 좌우로 인접해 있는 원자의 전자를 하나씩 공유하여(4전자) 8(4+1+1+1+1=8)을 맞추어 안정적으로 돌고 있습니다. 안정적이기 때문에 전하가 발생하지 않아서 완벽한 절연체가 된 것입니다. 이런 원리를 8전자원리(Octet rule) 라고 합니다.

전자의 최외각 껍질이 1전자가 되면 이 1전자가 자유롭게 움직여서 전하를 가지게 되고, 그런 전하의 자유로운 움직임은 전기를 통하게 합니다. 도체인 금, 은과 구리 모두 물질의 주기율표상 11족으로서, 그들의 최외각 전자껍질은 각각 1전자 입니다. 
구리 29전자(2+8+18+1=29), 
금 47전자(2+8+18+18+1=47), 은 79전자
(2+8+18+18+32+1=79).

14전자 실리콘(Si)에 15전자 인(P, 2+8+5=15)을 혼합하면 실리콘 최외각 전자껍질 4와 인의 최외각 전자껍질 5가 결합되어 9(4+5=9)전자가 되어, 옥텟 원리 8전자를 충족하고도 1(9-8=1)전자가 남게 됩니다. 이 1전자를 자유전자라고 부르며, 이놈이 혼합반도체에 전기를 흐르게 합니다. 전자(-전하)가 양성자(+전하)로 흐르면, 전기가 그 반대 방향 +극에서 -극으로 흐르게 됩니다. 이런 반도체를 N형 불순물(혼합했으므로) 반도체라고 합니다. 

이번에는 실리콘에 5전자 붕소(B, 2+3=5)를 혼합하면 혼합 후 최외각 전자는 7(4+3)로서 8전자 규칙에 1전자가 모자라게(7-8=-1) 됩니다. 그러면 구멍(Hole)이 만들어 지고, 이 1전자 부족 Hole(정공이라 함, +전하) 속으로 이웃한 전자(-전하)가  흐르게 됩니다. 이런 흐름이 연쇄적으로 일어납니다. 이런 연쇄적인 전자 흐름의 결과도 전기를 흐르게 합니다. 이런 혼합 반도체를 P형 불순물 반도체라고 합니다.

반도체 IC Chip을 사용하여 AI 가 작동하게 하려면, 그 전기의 흐름을 단속(On or Off)시켜야만 합니다. 바로 스위치(Switch) 작동을 말합니다. Relay, 진공관, 트랜지스터(Transistor, TR)가 바로 스위치 입니다. 그 중 Relay와 TR은 N형과 P형 반도체를 접합시켜서 만듭니다. 요즘은 TR을 쓰지요.

TR은 디지털 논리회로를 작동시키는 기본 장치입니다. 그런 연유로 반도체가 AI의 핵심 소재가 된 것입니다. 미국과 중국이 목하 치열한  반도체 전쟁을 하고 있습니다. 우리나라, 일본과  유럽도 치열한 반도체 확보 경쟁을 하고 있지요.

TR의 더 자세한 내용은 디지털 논리회로 강의에서 설명합니다.

IC 가공 기술은 나노(Nano) 기술입니다. IC 두께 3 나노를 거쳐서 1 나노 반도체 칩을 개발 중입니다. 반도체 IC Chip 기술은 너무 전문적이기 때문에 본 강의에서는 다루지 않습니다. 불초의 인공지능 책 *심금의 걸작품*을 보시면 잘 아실 수가 있습니다.

3. 디지털 논리회로로 이어집니다.