인간의 뇌를 닮은 브레인 컴퓨터가 등장한다

 

앞으로 컴퓨터는 어떻게 변화할까. 그동안 컴퓨터 과학 분야에서 인공지능을 연구하며 알아낸 것이 있다. 지금의 컴퓨터 방식은 어느 정도 한계에 맞닥뜨렸고 그 돌파구는 바로 인간의 뇌라는 것이다. 우리의 뇌를 보니 어떤 수퍼컴퓨터도 유연한 사고와, 동시에 여러 가지 일을 해내는 능력과, 감성적이면서도 직관적인 특징을 보여주지 못하기 때문이다. 인간의 뇌와 컴퓨터는 닮은 듯하면서도 무척이나 다르지만, 앞으론 더욱 비슷해질 전망이다.

그동안 컴퓨터 과학 분야에서는 인공지능과 관련해서 다양한 연구들이 진행되어왔고, 슈퍼컴퓨터를 이용해서 실제로도 뛰어난 인공지능 프로젝트들이 진행되어 왔다. 그렇지만 어떤 슈퍼컴퓨터의 인공지능도 인간의 뇌와 같이 유연한 사고를 하고, 동시에 여러 가지 일을 하며, 감성적이면서도 직관적인 특징을 흉내내지는 못하고 있다.
이는 컴퓨터의 구조 자체가 인간의 뇌와 다르기 때문이다. 인간의 뇌는 수조 개의 시냅스와 수십억 개의 신경세포들, 그리고 수백만 종류의 단백질과 수천 종류의 유전자로 구성되어 있다. 이처럼 현대의 컴퓨터와는 완전히 다른 인간의 뇌를 닮은 컴퓨터를 만들기 위한 연구들이 최근 들어 다양하게 진행되고 있으며, 일부에서는 상당한 성과도 내고 있다.

인간의 뇌는 유연한 사고를 하고, 동시에 여러 가지 일을 하며, 감성적이면서도 직관적이다

인간의 뇌의 구조와 유사한 컴퓨터 칩을 만든다

미국 국방부의 가장 중요한 연구기관이자 인터넷을 탄생시키기도 했던 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 지원으로 세계 최고의 4개 대학과

IBM이 진행하고 있는 SyNAPSE(Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics)라고 불리는 연구가 있다. 이 연구는 컴퓨터 칩을

인간의 뇌가 정보를 처리하는 방식으로 처음부터 만들어 가는 접근을 하고 있다.

이 프로젝트를 통해 개발된 칩은 인간의 뇌가 할 수 있는 감각과 인지, 상호작용 등이 가능할 것으로 기대하고 있다. 이 프로젝트의 연구책임자인 다르멘드라 모다(Dharmendra Modha) 박사는 이런 인지컴퓨팅(cognitive computing)이 새로운 세대의 컴퓨터에 있어

가장 중요한 기반 기술이 될 것이라고 말한다. 실제로 이 연구가 성공적으로 수행되기 위해서는 슈퍼컴퓨팅, 신경과학, 나노기술과 같은 최고의 첨단기술이 따로 떨어져 있는 것이

 아니라 최신의 연구결과를 공유하고 융합해야만 한다.

 

 현재의 컴퓨터는 비록 그 집적도가 올라가면서 용량이 커지고, 속도는 빨라졌지만,

 기본적으로 계산기에서 출발했기 때문에 우리의 뇌가 동작하는 방식과는 완전히 다르다.

 

오늘날의 모든 컴퓨터의 원형이라고 할 수 있는 폰 노이만 방식 컴퓨터는 작업을 굉장히 빠르고 효율적으로 해내는 것에는 훌륭하지만, 유연성이나 적응력, 진화와 학습 등에 있어서 많은 부분 문제가 있는 구조다. 이 연구가 결실을 맺어서 상업적으로 이용 가능한 뇌와 유사한 칩이 만들어진다면, 많은 지식산업 부분에 커다란 반향을 일으킬 것이 분명하다.

 

현재 SyNAPSE 프로젝트는 2008년 11월에 시작되어 1단계 연구를 마친 상태인데, 기초적인 컴퓨팅 유닛의 디자인을 마쳤다. SyNAPSE 프로젝트에서 완성시킨 “core”라고 불리는 작은 컴퓨팅 유닛은 인간의 뇌의 신경세포들과 같은 디지털 프로세서를 가지고 있다. 현재 만들어진 수준은 뇌 컴퓨터 기본단위로 256개의 신경세포가 구성되었는데, 유닛 내부의

시냅스는 256×256(65,536)개, 그리고 각각의 신경세포마다 하나씩 256개의 축삭을 가진다. 그리고 이 내부에 프로세서, 메모리, 커뮤니케이션이 모두 함께 존재하는 것으로,

현재 수백만 개의 트랜지스터 정도만으로 구축이 가능하다(참고로 현재 가장 빠른 마이크로칩의 경우 수십억 개의 트랜지스터가 집적되어 있다). 이렇게 새로 등장하는 컴퓨터 칩이

기존의 폰 노이만 방식 컴퓨터를 대체하지는 못할 것이다. 여전히 폰 노이만 방식 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.
경험을 통해 학습하는 인지컴퓨팅

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 학습하는 단계를 거치게 되는데, 이 경우 사실상 전통적인 방식의 프로그래밍이

이용될 수가 없다. 아마도 어떤 일을 수행하면서 발생하는 이벤트나

경험을 통해 훈련하는 방식으로 학습시켜야 할 것이다.
현재 SyNAPSE 프로젝트에서는 2개의 프로토타입 칩이 완성된 상태로 다양한 테스트가 진행되고 있는데, 2단계에서는 이 칩들을 많이 만들어 연결하여 컴퓨터를 만들게 된다. 이렇게 만들어진 컴퓨터는 복잡한 정보를 한꺼번에 처리하는 작업과 환경에 다양하게 적응하는 방법을 배우게 될 것이다. 현재 매우 전통적인 비디오 게임을

인간처럼 플레이하고 있으며, 그밖에도 길을 찾는 내비게이션, 영상 및 패턴 인식, 연관 기억 및 분류와 같은 전통적인 인공지능 문제를 푸는 테스트들이 진행되고

있다. 이 프로젝트는 최종적으로 100억 개의 신경세포와 100조 개의 시냅스를 가진 컴퓨터를 만들려고 하는데, 이는 인간의 뇌를 뛰어넘는 수치다.

이것이 모두 집적되어도 인간의 뇌의 크기를 넘지않고,

1킬로와트 정도의 전기만 소모한다면

이 컴퓨터로 할 수 있는 일은 정말 무궁무진할 것이다.

인간의 뇌에 칩을 박을 수 있다면?

실제로 인간의 뇌에 칩을 박아서 같이 동작시키는 상황을 생각해볼 수도 있다.

 미국의 USC에도 이와 비슷한 프로젝트를 진행하던 그룹이 있었다. 기억력 칩을

연구하던 테드 버거 교수 그룹인데, 이들은 뇌에서 단기 기억력을 지배하는 해마(hippocampus) 지역에 대한 연구를 집중적으로 수행하고 있다. 연구방식은 쥐의 뇌의

해마 지역의 신호를 면밀하게 기록했다가, 연결부위를 파괴한 뒤에, 그 부위에 프로그래밍이 가능한 실리콘 FPGA 칩을 박아서 그동안 기록된 신호들을 바탕으로 파괴가 된 부분을 칩이 대신할 수 있도록 하는 연구이다. 이미 상당한 성과를 내고 있지만,

제대로 결과가 나오려면 앞으로 10년 정도는 소요될 것으로 예상하고 있다.
뇌에 칩을 박아서 동작시키는 것이 현실이 될 수도 있다

또한 이런 종류의 연구를 위해서 뇌처럼 다양하게 접힌 환경에서도 칩을 넣을 수 있는 구조를 만들면서도 뇌조직이 거부반응을 일으키지 말아야 하기 때문에, 그런 조건을 만족시키는 재료에 대한 연구도 중요하다. 최근 패릴린(Parylene)이라는 물질이 이런 조건을

만족시켜서 칩에 신경세포와 실리콘을 접합시키는 연구도 활발히 진행되고 있다.
인간의 뇌의 운동중추가 있는 곳에 센서를 꽂아서 뇌의 문제로 마비가 있던 환자가

 컴퓨터를 조작하게 만든 사례는 2004년 브라운 대학교에서도 성공한 바 있기 때문에

 인간의 뇌에 칩을 꽂는다는, 다소 SF소설과도 같은 사건이 앞으로는 더욱 많아질 것으로 보인다. 심지어 미국 식약청(Food and Drug Administration)과 MGH(Messachusetts General Hospital)의 생명윤리위원회(IRB, Institutional Review Board)에서는

이렇게 뇌에 칩을 꽂아서 하는 임상연구 및 상용화를 진행할 수 있도록

 2009년 허용을 했기 때문에 이런 종류의 연구들이 최근 탄력을 받고 있다.

이와 같이 뇌에 칩을 꽂을 수 있다면 당장 이런 기술의 수혜를 입을 것으로 생각되는

환자들은 척수신경마비나 뇌경색, 루게릭병(ALS, Amyotrophic lateral sclerosis) 등 신경과적 질환을 가지고 있는 분들이다. 이미 이런 환자들의 일부는 비록 몸을 움직일 수는 없어도 어느 정도의 훈련만 된다면 쉽게 컴퓨터 스크린의 커서를 움직이고 로봇을 조종할 수 있다는 것이 알려지고 있다. 이러한 성과가 예상됨에도 뇌에 꽂아야 한다는 것 때문에

 

미국식품의약품안전청에서는 안전성과 효과성에 대한 데이터를 모으고, 추가적인 연구를 위한 다양한 임상시험들이 진행되고 있는 단계다. 이런 실험의 임상결과가 잘 나온다면

 뇌에 칩을 꽂는다는 영화 속에서나 나올 것 같은 이야기가 앞으로 현실화될지도 모르겠다.

이처럼 인간의 뇌와 컴퓨터는 닮은 듯하면서도 무척이나 다르다. 현재까지도 컴퓨터에

인공지능 프로그래밍을 이용해서 인간을 흉내내게 하겠다는 시도가 가장 많이 진행되고

있지만, 조금은 다른 형태로 완전히 인간의 뇌의 연결성을 흉내낸 슈퍼컴퓨터 프로젝트나, 이를 고도로 집적해서 뇌의 구조와 유사한 브레인 컴퓨터 칩을 만드는 연구, 심지어는

뇌와 실리콘 칩의 직접적인 연결을 통해 한계점을 극복하려는 연구까지 컴퓨터 칩 기술과 인간의 뇌과학의 접점은 점점 더 근본적인 수준에서 높아지고 있다.

그런 측면에서 IT기술과 뇌과학, 생물학과 재료과학, 나노기술과 같이 완전히 다르게 느껴지는 학문들의 융합이 앞으로는 더욱 필요해질 것이다.