인간이 사자보다 하드웨어에서 우수한 부분 feat. 인공지능 발열 문제

 저는 재료공학도로서 현재 에너지신소재공학과의 나노, 바이오, 환경 트랙을 밟고 있습니다. 재료공학도 분야가 정말 다양해서 누구는 요새 뜨는 반도체 분야에 가고 싶어하고, 누구는 LG 디스플레이의 유명한 OLED 같은 발광 소자에 관심을 두고, 어떤 사람들은 나노 물질이나 고분자, 금속 재료를 통한 배터리 등에 가기도 합니다.

 전 어려서부터 생물학에 굉장히 관심이 많아서, 자연스럽게 나노, 바이오, 환경 트랙을 밟고 있고 그 덕분에 향후 대학원으로 가려고 하는 신경과학 분야에 나름 많은 도움이 되고 있습니다. 제가 다른 반도체 디스플레이 같은 코스를 밟았다면 생물학도 처음부터 끝까지 새로 공부를 해야 해서 부담이 컸을 것입니다.

 특히 제가 가장 흥미롭게 들었던 수업은, 현재는 한양대학교로 스카웃이 되어 가신 최창순 교수님의 '나노바이오융합과학' 과목이었습니다. 말 그대로 나노 기술에 대해서, 바이오 재료나 분야와의 융합 기술 등에 대해서 공부하는 과목이었습니다. 교수님이 워낙 말씀도 잘 하시고, 수업도 직접 같이 필기를 하는 방식이었기에 학점을 박살났으나 기억에 남는 것은 많이 있습니다.

특히 교수님은 낚시줄에 쓰이는 저렴한 나일론 소재를 꼬아서, 코일 형태로 만들고 그걸 다시 꼬아서 슈퍼 코일 형태로 만들어서 간단한 열이나 전기 자극에 의해 수축과 팽창 운동을 유도하는 인공 근육을 연구하시기도 하셨습니다

https://m.dongascience.com/news.php?idx=26900

 특히 해당 과목에서 배운 바이오미메틱스, 생체모방 혹은 생체모사 공학은 상당히 흥미로운 분야입니다. 예컨데 펠프스라고 올림픽 수영 메달리스트가 있는데, 혼자 국가 규모의 메달을 휩쓸어서 메달 수를 집계할 때 따로 빠지는 영광을 누리기도 하는 유명한 선수입니다.

 그 선수가 과거 입었던 것이 상어 피부를 모사한 수영복이었습니다. 어류 특히 상어는 질량과 형태에 비해서 꽤나 빠른 축에 속합니다. 육상동물의 질량으로 환산해서 비교해보면 달리기를 정말 빨리 하는 것입니다. 여러분이 수영장에 가서 물 속에서 걸어본 경험이 있을 것입니다. 엄청나게 무겁고 힘듭니다. 전신의 근육을 다 써야지 겨우 움직일 수 있을 정도로 물이라는 유체의 저항은 굉장히 큽니다.

 상어 피부는 특유의 주름 구조와, 나노 구조 덕분에 유체와의 저항을 최소화하면서 빠르게 유체 속에서 헤엄을 칠 수 있습니다. 자연은 지구가 탄생한 46억년 전부터 오랫동안 진화해온 훌륭한 결과물이고, 그것들을 공학적으로 분석하면 응용하거나 인간이 활용할 수 있는 아이디어가 다양하게 존재합니다.

 참고로 저 상어 피부 모방 수영복은 이후 금지되었습니다. 수영복 성능이 너무 좋으니까 올림픽 신기록이 줄줄이 박살났거든요. 인간의 노력과 육체의 한계, 미학적이고 철학적인 관점에서 저런 수영복은 지나치게 공학적이고 기술적이라고 판단되어 얼마 못 가서 금지되었습니다. 그만큼 성능이 좋았습니다.

 오늘은 서론을 다행히 짧게 끝냈습니다. 최창순 교수님의 재미있는 수업에서는 정말 다양한 소재들이 등장했는데, 관심있으시면 한번 검색해보거나 chatGPT한테만 물어봐도 수도 없이 다양한 아이디어를 접할 수 있을 것입니다.

 인간은 곰이나 사자 등의 포식자와 비교했을 때, 하드웨어 적으로 굉장히 불리합니다. 사자처럼 이빨이 강한 것도 아니고, 곰처럼 피지컬이 거대하지도 못합니다. 심지어 곰은 달리는 차량(한 50km/h?)을 쫓을 수 있을 정도로 빠릅니다. 인간이 달리기로 이런 포식자를 피하는 것은 거의 불가능에 가깝습니다.

 초식 동물들도 대부분 이러한 포식자들의 진화에 따라 비슷하게 진화하여 살아남았습니다. 가끔 자연의 왕국? 같은 프로그램을 보면, 치타나 사자가 순간적으로 기습하는 상황 속에서도 초식 동물들이 비장한 순발력과 순간 가속도로 튀는 장면을 자주 볼 수 있습니다.

 이런 동물들에게도 큰 약점이 있는데, 바로 '지구력'입니다. 인간은 최고 속도를 높게 순간적으로 끌어올리지는 못하지만, 오랫동안 달릴 수 있는 능력이 있습니다. 그래서 원시적인 창의 발명 이후, 창을 던져서 사냥감에게 조금이라도 부상을 입히고 나서, 부상당한 사슴 같은 동물이 결국 지쳐서 느려질 때 끝까지 쫓아가서 잡아먹는 식으로 생존해 왔습니다.

 특히 인간은 진화를 함에 따라 털을 포기한 대가로 땀을 얻었습니다. 요즘 식으로 따지자면 '수냉식'입니다.

단순히 팬을 돌려서 뜨거운 열을 밖으로 배출하고 찬 공기를 안으로 넣는 공랭식과 달리, 수냉식은 공기라는 유체에 비해서 밀도도 높으며 열 전달 효율이 높은 액체를 쓴다는 점에서 획기적입니다. 그럼 왜 공랭식이 더 일반적인가? 하면, 좀 깊이 있는 이야기는 저도 잘 모르는데, 보통 수냉식이 불안정하고 잘 터져서 액체가 전자 기판에 치명적인 손상을 준다고 하더군요

https://blog.naver.com/iclub_co_kr/220868135853?viewType=pc

 요즘 같은 여름철에 밖에서 땀을 뻘뻘 흘리면서 조금만 달리면 바로 뻗기 십상이죠. 그런데 이건 그나마 인간이 수냉식, 그러니까 땀이 배출되서 그 액체가 기화하면서 피부로부터 열을 빼앗고 상대적으로 빠르게 열을 식히는 덕분에 우리가 여름에도 활동할 수 있는 것이지, 당장 우리가 집에서 키우는 개만 보아도 조금만 더우면 입을 벌리고 헥헥 거립니다. 털이 많고 땀샘이 발달하지 않았으니, 그나마 찬 공기를 빨리 마셔서 열을 식히는 일종의 공냉식인 것이죠.

 정확한 일대일 비교는 잘 알지 못하지만, 곰의 경우에는 뛰어난 피지컬, 특히 많은 근육량을 이용해서 폭발적으로 힘을 내서 빠르게 달릴 수 있습니다. 그런데 우리가 수학에서 표면적 배울때 이미 알 수 있듯이, 대체로 부피가 큰 경우에는 표면적에서 불리하고 열의 순환에서 불리합니다.

 인간은 고열에 시달릴 때 다소 위험한데, 특히 40도가 넘어가기 시작하면 단백질이 그 물질적 특성으로 인하여 변형이 되기 때문입니다. 굳이 인간을 불판에 굽지 않아도, 스스로가 삶아지는 것입니다. 화상을 당했을 때 잘 알다시피 한번 변형된 단백질은 비가역적입니다. 이번에 12사단에서 훈련 고문 치사로 사망한 훈련병 또한 땡볕에서 무리한 행군 등을 하다가, 체내 온도가 너무 높아지면서 근육이 정말 녹아버리면서 혈관을 막아버려서 사망에 이른 것으로 추정됩니다.

 특히 재미있는 것이, 이러한 요소를 매우 잘 활용해서 웹툰에 활용한 경우가 바로 <하이브>입니다(저처럼 읽어본 사람들은 알겠지만 실제 작품명과 주인공은 <할아브> ㅋㅋ)

 대기 중에 산소 농도가 높아져서 벌레들이 거대해졌고, 그것이 사람을 습격하고 이기면서 결국 벌레와, 그것을 통제할 수 있는 소수의 인간이 살아남는다는 스토리입니다.

 스토리 자체도 참신한데, 특히 '혼종'이라고 해서 모종의 이유로 곤충과 인간이 반씩 섞여서, 곤충의 뛰어난 맷집, 순간 속도, 최대 힘 등을 활용하는 초인 같은 존재가 등장합니다. 거대해진 곤충에 사람이 결합되었기에, 일부의 경우 사람의 지능과 심리를 유지하면서도 곤충의 큰 덩치와 에너지, 맷집을 활용할 수 있다는 점에서 상당히 강력하게 나옵니다.

 약혐주의!!!!!!!

이렇게 사람이 원본인데 곤충과 융합해서 더듬이? 같은 것이 삐죽 튀어나오는 경우도 있고

https://namu.wiki/w/%ED%9E%90%EB%8D%B0%EA%B0%80%EB%A5%B4%ED%8A%B8%20%EC%97%90%EC%8A%88%ED%8A%B8%EB%B7%94

특수부대가 야시경이랑 소총까지 입고서는 혼종이 된 경우가 나오는데, 진짜 빠르고 맷집도 강력해서 1:1로는 인간이 절대 이길 수가 없습니다. 곤충 자체만으로도 자동차만큼 커서 사람이 이길 수 없는데, 그런 애들이 지능도 높고 인간 무기랑 도구까지 사용하고 이해함 ㅋㅋㅋ

https://namu.wiki/w/%ED%95%98%EC%9D%B4%EB%B8%8C%28%EC%9B%B9%ED%88%B0%29/%EB%93%B1%EC%9E%A5%EC%9D%B8%EB%AC%BC?rev=1821

 그런데 웹툰에서는 이러한 혼종을 극복할 수 있는, 차별점을 자주 제시합니다. 바로 '열 배출'입니다. 곤충과 융합하면서 땀샘 같은 기능을 잃었기에, 격렬한 운동을 하여 몸의 온도가 높아질 경우, 인간처럼 빠르게 식히지 못하고 장시간 움직이지 못하고 무력화되어 휴식을 취해야한다는 설정이 있습니다.

 그래서 웹툰에서는 이러한 애들이랑 싸울 때 크게 2가지 전술을 택합니다. 물량으로 다굴을 때리거나, 소모전으로 가서 무력화를 기다렸다가 쓱싹 해버리거나.

 작가도 의식했는지 '점마 혼종이라서 오랫동안 싸우면 못 움직여!!! 계속 총질해!!!' 같은 대사가 자주 나오는데, 이러한 과학적인 요소를 넣으니까 더 실감나고 그럴듯 해서 몰입에 도움이 되더라구요.

 인공지능 이야기로 넘어가보겠습니다. 저도 최근에 chatGPT 같은 생성현 오픈 AI에 유료 버전을 결제하고 질문이나 공부 등에 적극적으로 활용하는데 정말 기똥찹니다. 속도도 빠르고 답변 퀄리티가 정말 대단합니다(여전히 부족한 점은 많지만).

 그런데 인공지능의 가장 강력한 약점이 뭐냐면, 인간의 뇌에 비해서 자원을 엄청나게 퍼먹는다는 것입니다. 물도 그렇고 전기도 그렇고. 그리고 자원을 많이 퍼먹는 컴퓨터는 뭐다? 발열이 엄청나게 심하다~

 그래서 인공지능의 발전 이전에도, 컴퓨터 게임 개발 회사처럼 컴퓨터로 주 업무가 돌아가는 곳은 아무리 가난해도 에어컨을 무조건 켜줬습니다. 물론 사람 복지를 위해서가 아니고, 사람이 실신하기 전에 컴퓨터가 실신을 하거든요. CPU랑 메모리 온도가 60도에서 70도까지 올라가는데, 이게 너무 올라가면 컴퓨터가 그대로 멈춰버리거나 데이터가 날라갈 위험도 있습니다.

 때문에 대형 회사의 서버실에도 에어컨은 사람이 없더라도 항상 반드시 돌아가야합니다. 안그래도 인공지능이 많은 연산량 때문에 자원을 퍼먹는데, 그 과정에서 나오는 폐열도 처리하느라고 에어컨도 돌려야 하니까 전기를 무지막지하게 잡아먹습니다.

과거 카카오 판교 데이터 센터에서 화재가 나서, 전국이 한두 시간 동안 멈춰버린 사건이 있었죠. 제가 김정은 이었으면 ㅋㅋㅋ 미사일을 날리는 게 아니라, 첩자를 보내서 데이터 센터의 에어컨을 꺼버렸을 껍니다 ㅋㅋㅋ 얼마 전에는 전기차에서 화재 나서 큰 일이 있었죠. 그만큼 배터리나 이런 IT 관련 설비는 화재에 취약하면서 동시에 폐열을 엄청나게 배출합니다

https://www.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0924269174

 특히 전기세 추이를 살펴보니, 전반적으로 IT 기업의 전기 사용량이 굉장히 늘었고, 이에 따라 자연스럽게 이산화탄소 배출량도 늘어서 골치랍니다.

 예컨데 우리가 chatGPT를 쓰면, 정확히 기억이 안나는데 한 질문에 500ml짜리 생수를 한 병 쓰는 것과 비슷하다는 이야기를 들은 적이 있습니다. 인공지능이 자원 자체를 많이 소모할 뿐만 아니라 거기에 필요한 냉각수도 상당히 필요하다는 것이죠.

 더욱 흥미로운 것은, 인구 대국인 중국은 다름 아닌 냉각수 부족으로 향후 IT 경쟁력 확보에서 차질을 빚을 것이라는 예측도 있습니다. 막대한 인구를 부양하기 위해서 지하수를 엄청나게 끌어다 썼는데, 그게 고갈이 되니까 직접적인 식량 문제는 물론이고 막대한 자원이 필요한 인공지능을 돌리고 개발하는 데에 발목이 잡힐 것이라는 평가입니다.

 그래서 인공지능은, 소프트웨어와 하드웨어 두 가지 측면 동시에 인간, 아니면 생물과 비슷해지려고 노력한답니다. 소프트웨어가 인공지능이 점점 인간을 닮아간다는 것은 어제 오늘 일이 아닙니다.

 이미 인류 최강의 기사 이세돌 9단을 4:1로 이겼는데, 문제는 바둑은 상상력과 창의성, 고등 인지 지능을 동원해야 하는 높은 차원의 작업이라는 점이 인류에게 충격으로 다가왔습니다. 당시 이세돌을 이긴 알파고는 최신 버전의 새로운 알파고에게도 밀렸다고 합니다. 인공지능은 충분히 인류를 대체할 수 있는 잠재력이 있고, 이미 대체하고 있기도 합니다.

 그런데 단점이 뭐냐면, 학습에 필요한 데이터가 무지하게 많이 필요하다는 것입니다. 알파고도 인간으로 치면, 수 천년 동안 할 대국을 연습하고 학습하고 나서야 인간을 넘어섰습니다. 인간의 수명은 100살이 안되는데, 9단 급의 실력으로 가기까지 2천 년 씩 걸리면 누가 바둑 9단이 될 수 있겠습니까? 

 반면 인간은 상대적으로 짧은, 몇 년에서 몇 십년만 학습을 해도 상당한 실력을 발휘합니다. 이세돌 9단을 비롯해서 웬만한 바둑 천재들은 초등학생 나이때 두각을 보이고, 20대에 실력의 전성기를 누렸습니다. 지금도 중국 기사들은, 중국의 최신 인공지능 바둑과 대결하면서 실력을 기르고 연습한다고 합니다. 거꾸로 말하자면 인공지능이 아직도 인간을 완벽하게 추월하지 못한 것입니다. 그 많은 자원과 연습량을 때려박았음에도.

알파고와 이세돌의 가성비(?)를 비교하는 유명한 짤

https://www.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0010439901

 그래서 제가 가고자하는 신경과학 분야도 특히 컴퓨터 공학 분야에서 흥미롭게 바라보는 것이, 인간과 비슷한 인공지능을 만들면 상당히 적은 학습량으로도 인간처럼 고차원적인 사고력과 고등 인지 지능을 발휘할 수 있지 않을까 하는 기대에서, 그러니까 훨씬 더 높은 효율성을 가질 수 있지 않겠나 바라본답니다. 인간처럼 상대적으로 적은 사례를 경험함으로써, 이를 일반화하여 지혜롭게 활용하는 것을 inductive bias라고 합니다.

 소프트웨어의 발전은 많은 사람들이 관심을 가지고 있으며 이미 뛰어난 대가들(제가 가고자 하는 이대열 교수님의 연구실도)이 열심히 노력 중입니다. 기업 입장에서는 더 현실적이고 빠른 대책이 필요합니다.

 그래서 인간이 땀을 흘리는 수냉식으로 열을 억제하는 것처럼, 이제 인공지능 분야도 액체 냉각을 활용하여 더 빠르고 효율적으로 열을 식히는 분야에 투자하고 있습니다.

컴퓨터의 열을 잡는 자가 세상을 지배하리라!

https://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2024052302109932049004

 사람은 연질의 말랑말랑하고 유연한 피부를 가졌으며, 여기서 혈관이 지나가면서 뜨거운 피를 바깥 쪽으로 최대한 밀착시키고, 땀샘에서는 땀이 나서 액체가 기화열을 흡수하는 원리를 통해 열을 효율적으로 억제하는 방향으로 진화해왔습니다. 우리가 평소 일과 공부에 치여서 피로하다고 하소연하면서 살아갈 뿐이지, 이런 효율적인 냉각 시스템을 가지지 못했으면 피로하다고 하소연하기 전에 이미 열사병으로 쓰러졌을 것입니다.

 반면 로봇은 주로 플라스틱 따위로 이루어진 경질의 껍데기를 가진 경우가 많이 있습니다. 내부에는 컴퓨터를 탑재하는데, 당연히 인간처럼 혈류가 지속적으로 흐르는 것도 아니고 열 전달에서 문제가 있을 수 밖에 없습니다. 열을 배출하겠다고 엄청 큰 선풍기를 다는 순간, 그 선풍기 자체의 열도 만만찮게 발생할 것입니다.

 그래서 제 개인적인 상상이지만, 아마 로봇은 인간과 소프트웨어 뿐만 아니라 하드웨어 차원에서도 비슷비슷해질 것 같습니다. 얼굴이나 복잡한 근육 구조, 다양한 운동이 가능한 골격 뿐만 아니라 땀샘의 핵심적인 기능을 탑재해서 열을 더 빠르게 냉각하는 시스템을 탑재할 것 같습니다.

 많은 선배님들과 교수님들, 친구들이 제가 전공을 바꾸는 것에 대해서 우려를 표한 적이 있습니다. 남들보다 늦었다, 남들은 밥먹고 컴퓨터 공부만 하는데 넌 어떤 수로 따라가려고 하느냐 등등. 하지만 전 나름 자신감이 있습니다. 비록 표면적으로 연결되고, 연관되어 보이지 않는 학문 분야라 할지라도(재료공학과 컴퓨터 공학은 그야말로 공학 계에서 서로 반대 방향의 끄트머리에 있는 분야입니다. 둘은 서로 열역학 법칙 정도는 제외하고 절대로 공통되는 것을 배우질 않습니다) 충분히 역량만 있다면 창의성을 발휘하고 좋은 소재를 발굴할 수 있는 기회라고 생각합니다.

 애초에 남을 이길려고 공부하는 것도 아니고요. 남들보다 앞서나가면 뭐 교수가 되기 쉽다던지, 좋은 상을 받는다던지 하겠죠. 그런데 그건 2번째 인생의 목표이고, 첫 번재 인생의 목표는 내가 상상하고 생각하는 아이디어를 정말 실현하고 그 과정에서 공부하는 것이 즐겁고 재미있느냐에 달린 것 같습니다.