GPU: 에너지 흐름을 통해 뇌의 기억 저장소를 모델링하다
인간의 뇌는 과연 얼마만큼의 정보를 담을 수 있는 걸까? 혹시 이와 같은 질문을 가져본 적이 있으신가요? 우리는 세상을 살아가면서 정말 다양하고 많은 정보를 보고, 듣고, 접하고, 기억하기도 합니다.
하지만 마치 컴퓨터 하드디스크처럼 그 용량에 대해서는 정확히 체크하기가 어려운 게 사실인데요.
최근 미국 캘리포니아에 위치한 솔크(Salk) 생물학 연구소의 테리 세즈노프스키(Terry Sejnowski) 교수는 사람의 뇌가 무려 1 페타바이트(PB)에 달한다는 용량을 지녔다는 사실을 밝혀냈다고 합니다.
이는 기존에 알려진 것에 10배에 달하는 크기로, 13.3년 동안 HD 방송을 녹화하거나 책 47억 권을 담아낼 수 있는 용량이라고 하니, 정말 어마어마한 양이지요.
더 나아가 솔크 생물학 연구소는 사람의 뇌가 어떤 원리로 지금과 같이 효율적으로 작동하는지 파악하고, 이를 컴퓨터 시스템에 도입하는 방안에 대한 연구를 진행했다고 하는데요. 지금부터 그 흥미진진한 실험을 함께 살펴보도록 하죠. ^^
크기에 의해 결정되는 시냅스의 성능
연구팀은 뇌 세포 또는 뉴런, 즉 신경 세포 사이의 신호를 전달하는 연결부인 ‘시냅스’ 연구를 통해 뇌의 기억 용량을 확인하고자 했습니다. 시냅스의 크기는 곧 뉴런의 기억 용량을 결정하기 때문에 그 크기가 크면 클수록 더욱 견고하고, 안정적으로 신호를 전달할 수 있다고 하네요.
이 팀은 쥐의 기억이 저장되는 해마 조직을 상세한 3D 모델로 복원했습니다. 지금까지 시도된 작업 중 최고의 정확도를 자랑했다는 이 복원 작업에 바로 지포스(GeForce) GTX 타이탄(TITAN) GPU가 활용됐다고 하네요^^
위의 3D 모델과 전자 현미경를 통해 시냅스 간 크기의 차이를 측정한 결과, 8%의 차이로 구분되는 26가지 범주의 시냅스 크기를 식별할 수 있게 되었을 뿐 아니라 하나의 시냅스가 약 4.7 비트의 정보를 처리한다는 사실을 밝혀낼 수 있었습니다. 기존의 신경 과학자들이 시냅스가 1~2 비트의 정보만 처리할 수 있다고 주장했던 것과 다르게 말이죠.
더 강력하고 에너지 효율적인 컴퓨터
뇌의 거대한 저장 용량을 밝혀낸다는 자체가 이미 놀라운 일이지만, 이 연구를 통해 과학자들은 한가지 의문을 품게 되었습니다. 뉴런 사이의 메시지를 전송하기 위해 활성화되는 시냅스는 평균적으로 전체의 10~20 퍼센트에 불과하지만, 여전히 뇌는 아무 이상 없이 작동한다는 사실이죠. 이처럼 적은 시냅스만 활성화되는 상황에서도 어떻게 뇌는 안정적으로 작동하는 것일까요?
연구팀은 이에 대해 한 가지 가능한 답변을 제시했습니다. 시냅스가 수신되는 신호에 응답하며 끊임없이 그 크기를 조절하고, 시간이 지남에 따라 자신의 성공과 실패의 평균 확률을 측정하며 가장 효율적인 방향을 모색한다는 것이죠. 물론 아직은 어디까지나 가설일 뿐이지만요. ^^a
세즈노프스키 교수는 전체 시냅스 중 10~20 퍼센트만 활성화되는 이 현상을 일컬어, 뇌의 ‘확률(probabilistic)’ 전략이라 부릅니다. 이를 통해 뇌는 안정적인 기능을 유지할 수 있는 최소한의 에너지 소모를 유지하는 것이죠. 덕분인지 깨어있는 성인의 뇌의 전력 소비량은 약 20 와트로, 희미한 전구가 소비하는 전략과 유사할 정도로 극소량이라고 하네요.
‘인공 지능’으로 대표되는, 사람의 두뇌를 모델로 한 컴퓨터 시스템의 발전은 아직 불완전한 것이 사실입니다. 하지만 1페타바이트 용량을 단지 20 와트 전력으로 유지하면서도 여전히 놀라운 기능을 발휘하는 뇌가 지닌 잠재력을 온전히 컴퓨터에 구현할 경우, 그 변화가 얼마나 대단할지 많은 과학자들과 연구자들이 큰 기대를 걸고 있답니다. ^^
그리고 이러한 컴퓨터가 등장한다면 화상 분석 혹은 음성 인식 등에 필요한 엄청난 양의 연산 능력을 요구하는 딥 러닝 및 신경망 네트워크를 거대한 슈퍼컴퓨터가 아닌 작고 전력 소모도 적은 시스템에서 구동하며 누구나 그 혜택을 누릴 수 있게 되겠죠.
이처럼 엔비디아는 연산 처리에 특화된 GPU의 뛰어난 병렬 컴퓨팅 성능을 기반으로 딥 러닝 및 신경 네트워크를 활용한 기술 개발에 깊이 관여하고 있답니다. 뇌를 모델로 한 컴퓨터 시스템이 지닌 가능성이 재확인 된 지금, 엔비디아 기술이 또 어떤 새로운 분야의 혁신을 이뤄낼 수 있을지 많은 관심을 가지고 지켜봐 주시길 바랍니다. ^^