지금 이곳은
지금 이곳에서는 인간의 사고와 행동을 시뮬레이터한다.
신경컴퓨터연구센터
‘안녕하세요?’하고 정문 옆에 부착된 이상한 장치에서 딱딱한 기계 음성이 들려오면서 함께 부착된 카메라가 나를 향해 기분 나쁘게 렌즈를 이리저리 굴리기 시작한다. 한참을 뚫어지게 바라보다가’아! 장xx씨 군요.’라는 음성과 함께 사인을 부탁한다.몇 초가 지나 ‘베풀 장(張)에 …..네,데이터베이스를 체크해보니 손님 목록에 들어있군요.어서오십시오.즐거운 시간이 되시길 바랍니다.’라는 인사와 함께 자동으로 문이 열린다. 독자 여러분들은 기자가 공상과학 소설이나 007영화를 너무 많이 본 것이아닌가 의심할지도 모른다. 그러나 지금 이와 같은 상황이 실제로 벌어지고 있다. 과연 인간이 생각하고 행동하는 모든 것들을 컴퓨터로 흉내낼 수 있을까?이러한 호기심으로 비롯된 신경 회로망에 대한 연구는 컴퓨터가 개발된 1940년대부터 시작되었다.그 당시에 연구된 자료는 하드웨어적인 체계와 이들을 뒷바침해 줄 소프트웨어가 전무하였으므로 이론을 세우는 것에 불과하였다.그러나 반도체기술과 더불어 모든 과학이 발전을 거듭함에 따라 현재도미래도 상상할수 없을 정도로 변화되고 있고, 불가능할 것만 같았던 이론들이 점차 구체적인 체계를 잡아가고 있는 것이다.
컴퓨터의 발달 과정에서 나타난 기존 컴퓨터의 문제점
지금 우리가 사용하는 컴퓨터(폰 노이만 방식이라고 부름)는 0과 1이라는두 가지 수치만을 처리한다.이러한 디지탈 데이터는 인간의 뇌에서 이루어지는 과정과는 판이하게 다르므로 완전한 데이터에 의해서만 정확한 결과를 얻을 수 있다.만약,이들 데이터에 정확하지 않은 수치가 하나라도 포함되어 있다면, 그 결과는 원래 요구했던 것과는 큰 차이를 나타나게 된다.또 이 컴퓨터는 약속된 프로그램에 의해 처리하므로 모든 것을 사람이 정해 준 기준에 따라서 수행하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고자 여러 각도에서 인공지능이라고 하는 소프트웨어적인 편법(?)을 사용한 연구가 시도되었으나,이것 역시 체계적이지 못하고 원하는 결과를 얻을수 없는 문제에 부딪히면서 소프트웨어적인 방법으로 인간의 두뇌를 흉내낸다는 것은 불가능하고,하드웨어의 뒷받침이 있어야 했다.
자체에서 개발한 IC설계 프로그램으로 뉴럴칩을 개발하였다.
국내에서 최초로 설계, 제작한 4종류의 뉴럴칩
신경 회로망을 VLSI로 접근
인간의 생각과 유사한 컴퓨터의 개발은 기존의 연구방법,즉 인공지능과 같은 소프트웨어적인 방법이나 폰 노이만Von Neumann형 컴퓨터로는 실현이 불가능하므로 현재의 하드웨어 개념과는 전혀 다른 형태의 하드웨어로 구현해야 한다. 인간의 두뇌는 약 100억~150억개의 신경세포로 구성되어 있으며,각 세포들은 다시 약 1만개의 서로 다른 세포들과 연결되어 있다.지금까지 이와 관련된 주제를 연구,발표한 약 50여종의 신경 회로 모델들 중에서 호프필드 교수의 ‘모델[1]’이 인간 두뇌의 연산 기억 처리방식과 비슷하며,이들을 아날로그회로와 VLSI기술로 구현하기 쉽다는 가능성을 보여주었다. 이와 같이 인간의 두뇌를 하드웨어적으로 구현한 것이 바로 뉴럴 칩Neural chip인데,지금까지 연구되고 있는 신경회로 칩은 크게 두가지로 분류될 수 있다.하나는 인간 뇌의 기능을 최대로 본 딴 것이고,또 다른 하나는 눈의 기능을 흉내내는 것이다.그러므로 이들이 개발된다면 음성을 인식하거나 문자 및 패턴 인식을 실시간Real Time으로 처리할 수 있다. 한편,뉴럴 컴퓨터를 만들기 위해서는 신경회로 모델들을 VLSI로 구현하여 실제 응용할수 있어야 하는데,이러한 연구는 이미 1984년부터 일본 소피아Sophia 대학 전기,전자공학과에서 VTLVariable Threshold Logic이라는 새로운 개념의 회로를 연구해 왔으며,이 칩을 실제로 팩스,디지탈 이미지 프로세싱에 응용하고 있다.경북대학교 전자공학과에서도 1984년부터 일본 소피아대학과 긴밀히 연구 교류를 하여 1986년 부터 본격적으로 신경회로망의 VLSI구현에 대해 연구하기 시작하였다.그 결과 문자 인식용 및 고속 산술연산용의 뉴럴 칩을 50여종 설계하였으며,삼성전자와 산학협동 연구로 1989년 2월 부터 ‘뉴럴 회로를 사용한 글자 인식용 칩 개발’에 대해 연구하고 있다. 한편,[신경 컴퓨터 연구 센터]에서는 지난해 8월 이틀간에 걸쳐 [신경 회로망과 집적회로 구현]이라는 주제하에 제 1회 한.일 공동 세미나를 경북대에서 개최하였으며,지난 2월 23일부터 6일간 일본 상지대학교에서 제 2회 한.일 공동 세미나가 열려 상호 연구 발표 및 정보교환의 장을 마련하였다.또 한국,일본,프랑스 3개국의 공동세미나를 구상 중에 있어 이 분야에서는 가히 국내 최고임을 자부하고 있다. 특히,연구된 결과와 세미나에서 교환된 정보를 바탕으로 사람처럼 문자나 물체를 인식한다든가 음성을 인식할 수 있는 ASIC칩을 설계,제작하여 맹인 독서 시스템,인공지능 로보트 및 HDTV와 차세대 팩스FAX 등에 응용될 수 있는 신경컴퓨터 개발에 주력할 예정이다.
석사과정의 연구생들, 그들의 눈빛엔 연구에 대한 자부심이 가득하다.
미래의 HDTV에 활용될 화상신호 처리 분야.
다양한 연구 분야로 신경 컴퓨터의 실현을 앞당긴다
국내에는 신경 컴퓨터에 대해 연구하고 있는 학교나 연구기관 몇몇 있다.그러나 경북대를 제외한 다른 연구기관은 하드웨어적인 연구,개발이 대부분 미미한 실정이다. 경북대학교의 [신경 컴퓨터 연구센터]에서는 신경 컴퓨터를 구현하기 위한 방법으로 갖가지 흥미있는 연구에 열을 올리고 있다. 여기에는 학습이 가능한 신경회로 모델을 VLSI로 구현하는 방법을 연구하는 분야,문자,즉 한글,영문,일본어,한문자 등을 이미지 스캐너로 받아들여 이를 인식하는 ASIC칩(사용자가 특수 용도에 사용하기 위해 설계한 집적회로)을 구현하는 분야,와우관(蝸牛管:귀 속의 달팽이처럼 생긴 부분으로 소리를 받아들인다)을 IC칩으로 구현하여 음성을 인식하는 보드를 개발하는 분야,망막을 IC 칩으로 구현하여 실시간으로 물체를 인식할 수 있는 시스템 개발 분야,동시 통역 시스템 개발,맹인 독서 시스템 개발,인공지능 로보트 개발,고품위 TV 및 차세대 팩스 개발 분야 등으로 연구가 진행되고 있다. 뉴럴 CPU 연구 분야는 병렬 처리 구조와 이들의 스위칭Switching,퍼지 컨트롤Fuzzy Control,뉴럴 표준 셀 등을 세부적으로 연구하며, 영상 신호 처리 분야는 크게 문자인식,화상 신호 처리,물체인식,영상 부호화 및 전송,눈의 망막 구현,팩스용 칩 등에 대해 연구하고 있다. 또한 음성 신호 처리 분야에서는 음성 인식,음성 신호 처리,와우관의 구현,디지탈 필터 등으로 나뉘어져 연구한다.
신경컴퓨터를 하드웨어로 구현하려면 뉴럴칩 설계가 필수적.
국내 최초의 신경회로 칩을 개발
신경회로 칩은 기존의 LSI와는 구조가 완전히 다른 것으로서,인간의 뇌가 정보를 처리하는 방법을 본보기로 하여 신경회로망의 모델을 IC 칩상에 전자회로로 실현시킨 것이다.그러면 신경 세포의 모델과 이러한 신경 세포가 어떻게 모형화되며,또 어떻게 하드웨어로 실현되는 것일까? 세포 몸체를 증폭기로,신경세포의 수상돌기를 입력선으로,신경세포의 축색돌기를 출력선으로,그리고 신경 전도부를 저항으로 대치한 전자회로이다.세포의 몸체는 다른 신경 세포로 부터 전달되는 자극들의 합과 새포내에 미리 설정된 기준값과 비교하여 자극들의 합이 크면 흥분에 해당하는 출력을,작으면 억제에 해당하는 출력을 다른 세포로 보내게 된다. 이번에 [신경 컴퓨터 연구센터]에서 개발한 뉴럴 칩은 동대학의 [VLSI & CAD 연구실]에서 개발한 KUIC-LED(2차원 IC 설계 소프트웨어)로 설계하여 그 가치가 더욱 높이 평가하고 있다.또 이와 함께 개발된 전자 회로 체크 소프트웨어로 회로의 신뢰성도 높이게 되었다. 현재 이곳에서 연구되고 있는 뉴럴 칩에 집적시킨 뉴우런의 갯수는 규모가 인간의 두뇌에 비해 훨씬 작지만 실제의 응용에도 그렇게 많은 뉴우런이 필요로 하지는 않는다.일반적으로 실제 응용을 위해서는 수십개~수백개 정도의 뉴우런이면 충분하므로 이것의 실현도 그리 멀지 않은 이야기인 것이다.
기존 IC칩의 공정단계 중에서 광학 마스크Mask를 사용하지 않고 전자현미경을 사용하여 직접 묘사할 수 있는 E-Beam Lithography SystemKUIC-SEM
과감한 투자로 세계 제일의 신경 컴퓨터 연구센터를 꿈꾼다
[신경 컴퓨터 연구 센터]의 총괄 연구 책임자인 정호선(전자과)교수는 “신경 컴퓨터를 연구한다는 것은 무엇 보다 인간의 두뇌에 대한 연구가 선행되어야 하므로 의학은 물론 생물학,심리학 등의 종합적인 연구가 필요합니다. 결코 신경 컴퓨터의 연구개발만은 우리나라가 미국,일본에 뒤지지 않으며 근래에 개발된 뉴럴 칩은 해외에서 개발된 것과는 설계 자체부터 다릅니다.또 개발된 4개의 뉴럴 칩은 제작을 삼성전자가 맡아 10건의 세계 특허를 출원하였다면서 자부심이 대단하다. 또한 정교수는 최첨단 분야를 연구하고 있으면서도 연구장비의 절대 부족과 이 분야의 연구에 전념할 박사과정의 고급인력이 절대 부족하다고 지적하고 인기,취업 위주의 교육으로 말미암아 한창 연구할 젊은 학생들이 취업이 되면 더 이상의 연구생활을 하지 않는 경우가 많아 안타깝다”고 말한다. 정부에서도 선진국의 계발된 기술만을 따라가는 지원 계획을 되도록이면 지양하고 먼 미래를 내다보는 안목이 필요할 것이다.또 신경 컴퓨터와 같은새로운 분야에 적극 지원하는 배려를 아끼지 않아야 할 것이다.
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