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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 구름과 번개 그리고 인공지능 반도체

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[편집자] 4차 산업혁명은 모든 사물과 인간을 연결하여 빅데이터를 모으고, 이를 이용하여 인공지능으로 학습해, 결국 인공지능이 인간을 대체하는 시대를 말한다. 이러한 4차 산업혁명의 물결이 산업뿐만 아니라 경제, 사회, 정치 등 전 분야에 걸쳐서 막대한 변화를 일으키고 있다.

글로벌뉴스통신사 뉴스핌은 '김정호의 4차혁명 오딧세이' 칼럼을 매주 연재하며 4차 산업혁명의 본질과 영향, 그리고 전망을 독자들에게 쉽게 소개하고자 한다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅으로 표현할 수 있으며 그 핵심 부품이 반도체이다. 이들 핵심 기술의 개념과 원리, 응용을 설명하여 일반 독자들이 4차 산업혁명에 대해서 공감하고 이해하며 더 나아가 개인과 기업, 국가의 미래를 계획하는 것을 돕고자 한다.

김정호 카이스트(KAIST) 전기 및 전자공학과 교수는 서울대 전기공학과를 졸업하고 미국 미시건대에서 박사 학위를 받았다. AI대학원 겸임교수, IEEE펠로우, 카이스트 ICT석좌교수, 한화 국방 인공지능 융합연구 센터장, 삼성전자 산학협력센터장 등을 겸하고 있다.

구름과 클라우드 시스템

하늘에는 구름이 떠 있다. 특히 가을 초에는 구름이 하늘하늘 높다. 이제 겨울이 오니 하늘이 어둡고 흐리다. 구름은 수증기 덩어리이고 우리에게 비를 뿌려주고 태양을 가려준다. 가끔 비행기를 타고 이륙 후에 높이 상승하면 우리는 구름 위를 날아가게 된다.

김정호 교수

그때 구름 위에서 아래를 내려다 볼 수 있다. 또는 높은 산에 올라가면 산 아래 걸쳐진 구름도 본다. 항상 우리는 땅을 보고 살아가지만, 머리 위에는 구름이 있다.

우리가 인지하지 못하지만, 우리 머리 위에 하늘에 항상 떠 있는 또 다른 구름이 있다. 그 구름을 클라우드 시스템이라고 부른다.

4차 산업혁명을 설명할 때 인공지능(AI), 빅데이터(Big Data), 클라우드(Cloud)를 세 가지 핵심 요소로, 간단히 ABC라고 부른다.

클라우드 시스템은 데이터센터를 포함하는 핵심 인프라가 된다. 클라우드 시스템은 인터넷을 통해 가상화된 컴퓨터 자원을 제공한다. 그래서 클라우드 시스템에서는 언제 어디서나 우리가 편리하게 인터넷을 사용하고, 데이터를 저장하고, 인공지능 서비스를 받는다.

여기서 컴퓨터 자원으로 메모리 반도체로 대표되는 데이터 저장 장치, 유무선 네트워크, 서버 컴퓨팅 장치, 그리고 소프트웨어를 포함한다.

결국 각 개인이나 기업은 개별 하드웨어‧소프트웨어 투자비용과 운영 인력, 경험을 쌓는 부담 없이 바로 빅데이터와 인공지능 서비스를 받을 수 있다. 덕분에 개인과 기업은 최소한의 투자와 관리, 노력으로 빠르게 서비스를 제공할 수 있다.

대표적인 클라우드 서비스 기업이 아마존(Amazon)과 마이크로소프트(Microsoft)이다. 클라우드 시스템은 4차 산업혁명의 기초 인프라이고 '심장'이다.

하지만 데이터와 소프트웨어, 서비스가 필요할 때 소수의 독점 기업에 의존하고, 결국 그들에게 종속되는 위험도 같이 갖고 있다. 우리가 하늘의 구름을 인식하지 못하고 사는 것처럼, 우리는 점점 클라우드 시스템에 스며들어 간다.

클라우드 시스템의 구성 요소. [출처=KAIST]

번개와 인공지능 반도체 성능의 관계

그런데 하늘의 구름은 전기를 띠고 있다. 구름이 하늘을 떠다니면서 지구와 마찰하게 되고, 그래서 '전자'를 수증기 속에 머금게 된다. 그들을 '전하'라고 부른다. 우리가 책받침으로 머리카락을 문지르면 정전기가 생기는 원리와 같다.

그 전하량이 엄청나게 커지면, 지구와 구름 사이에 전압이 수천 또는 수만 볼트가 걸린다. 그리고 마침내 방전이 일어난다. 그것을 번개라고 부른다. 그 번개 길 속으로 전자가 길을 따라 흐르고 공기와 부딪혀 빛을 내고 소리도 낸다.

이 번개가 나무에 맞으면 나무가 타 버린다. 건물 높은 곳에 피뢰침을 설치해 번개 전자가 쉽게 흘러 땅 밑으로 들어가게 접지한다. 그러면 건물 안의 사람의 안전하다. 가끔 비행기도 번개를 맞는다.

그런데 구름뿐만 아니라 우리 인간의 몸도 전기를 띤다. 옷을 입고 옷과 피부가 마찰해서 전하를 몸에 모아 둘 수 있다. 우리 몸도 수분이 많아 전자를 담아 둘 수 있기 때문이다. 특히 겨울에는 공기 중으로 전자가 빠져나가지 못하고 몸에 잘 저장된다. 이때 물체를 만지면 일종의 번개인 스파크가 일어난다. 손이 따끔하다.

사람뿐만 아니라 전자 제품, 자동차 등 모든 물체도 전자를 담아둘 수 있다. 따라서 번개로부터 컴퓨터와 반도체 등을 보호하려면 피뢰침과 같은 보호회로가 그 안에 필요하다. 그래서 인공지능 반도체를 비롯한 모든 반도체에는 정전기 보호회로가 설치된다. 일종의 피뢰침이다. 회로로 보면 입출력 회로에 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)를 설치한다. 또는 반도체 다이오드(Diode) 회로를 설치해서 고전압 전류를 따로 흐르도록 피해 가는 길을 만든다.

그런데 이러한 정전기 방지 회로는 반도체 사이 혹은 컴퓨터 사이 데이터 입출력 속도를 떨어뜨린다. 디지털 데이터 신호가 지나갈 때 정전기 방지 회로에서 잠시 멈추고 지나가서 속도도 떨어지고, 파형도 열화된다.

인공지능 계산을 위해서는 GPU(Graphic Processor Unit)와 디램(DRAM) 사이에 데이터를 최대한 빠른 속도로 주고받아야 한다. 빅데이터로 인공지능망을 학습(Training)하는 과정에서 특히 그렇다.

그뿐만 아니라 학습 이후에 판단(Inference) 과정에서도 실시간 인공지능 서비스를 제공하려면 빠른 속도의 데이터를 반도체끼리 주고받아야 한다. 구리선 하나당 1초에 100억 비트(10Gbps) 이상을 주고받아야 한다.

그래도 속도가 충분하지 않다. 미래에는 그보다 100배 이상 빠른 속도로 주고받아야 한다. 그런데 바로 그 정전기 회로가 걸림돌이 된다. 세상에 거저는 없는 것 같다. 구름도 그렇다.

인공지능 컴퓨터 등에서 사용되는 디지털 고속 신호 전송 파형. [출처=KAIST]

그런데 컴퓨터도 고속의 데이터를 주고받아야 한다. 한 대의 인공지능 컴퓨터가 혼자 모두 계산하지 못하고 병렬로 서로 협력해서 계산하기 때문이다. 이때 컴퓨터끼리 주고받는 데이터 속도가 100Gbps(1초에 1000억 비트)를 지나 400Gbps까지 요구된다. 이때 데이터 송수신 입출력 반도체 회로가 정전기 방지 회로 때문에 속도가 느려진다.

정전기로부터 인공지능 컴퓨터와 반도체를 보호하려고 하다 생긴 부담이다. 인공지능 컴퓨터나 반도체 사이의 최종 데이터 전송 속도는 전력 소모와 빛의 속도, 정전기 방지 회로로 결정될 것이다. 이 데이터 속도가 인공지능 컴퓨터와 서비스의 성능을 결정한다. 여기서도 구름과 번개가 원인이다.

인공지능도 자연에서 길을 찾는다

4차 산업혁명과 인공지능, 컴퓨터, 반도체 등 첨단기술의 원리도 자연에서 많이 배운다. 빛과 구름 속에서 데이터 속도, 클라우드 컴퓨팅의 개념을 얻는다. 번개를 보면서 반도체 보호 회로를 생각해 낸다. 자연이 스승이 된다.

자연에서는 조화를 찾는다. 남과 여, 음과 양, 땅과 하늘, 양전하와 음전하 등 모두 균형과 조화를 이루면서 살고 있다. 반도체 입출력 회로에서 정전기 방지 회로는 주로 전기장을 담아 두는 커패시터(Capacitor) 성분이다.

자연에서 전기장의 반대는 자기장이다. 그래서 자기장을 이용해 정전기 회로 현상을 상쇄하기도 한다. 이러한 방법을 전문 용어로 인덕티브 피킹(Inductive Peaking) 또는 임피던스 균형 (Impedance Balancing) 작업이라고 한다. 아주 전문적인 용어지만, 결국 균형을 맞춰 문제가 되는 현상을 보완한다는 개념이다. 자연에서부터 배우는 지혜이다.

4차 산업혁명을 잘하려면 어렸을 때부터 자연 관찰을 잘하면 좋겠다. 교실에 가두지 말고 자연에서 뛰어놀면 좋겠다. 도시의 학원과 아파트에서 자란 어린이들이 미래에 노벨상이나 최고의 과학자, 학자가 되기는 어려울 것 같다. 가끔 하늘도 보고 구름도 보고, 번개 소리는 듣자.

고속 입출력 데이터 회로에서 정전기 방지회로의 효과를 보완하는 방법. [출처=KAIST]

 

김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수 joungho@kaist.ac.kr

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"북한 핵잠수함은 순항핵잠(SSGN)" [서울=뉴스핌] 김종원 선임기자 = 북한 관영 조선중앙통신이 25일 김정은 북한 국무위원장이 8700t급 '핵동력 전략유도탄 잠수함 건조사업'을 현지 지도했다고 보도했다. 북한의 '핵동력 전략유도탄 잠수함'은 핵연료를 추진 동력으로 핵탄두를 장착한 잠수함발사 탄도미사일(SLBM)과 순항미사일(SLCM)을 운용할 수 있는 8700t급 중형 순항유도탄 핵잠(SSGN)으로 분석됐다. 북한은 올해 3월 핵동력 전략유도탄 잠수함 건조가 추진되고 있다고 공개했다. 당시 잠수함 하단부만 공개했지만 이번에는 동체 전체를 전격 공개했다. 건조 중인 핵잠 배수량이 8700t급이라고 처음 언급했다. 김정은 북한 국무위원장이 8700t급 핵잠수함 건조 현장을 지도했다고 북한 관영 매체들이 25일 보도했다. 사진은 방청도료가 칠해진 대형 선체를 살펴보는 김정은과 수행 간부들. [사진=노동신문]  ◆핵연료 장전·원자로 시운전·실출력 운전 남아 홍민 통일연구원 선임연구위원은 북한의 핵잠 건조 단계와 관련해 원자로 등 핵심 장비가 들어간 상태의 외피 결합과 외관 완성으로 평가했다. 홍 선임연구위원은 "핵추진잠수함 건조 단계로 볼 때 원자로 압력용기와 증기발생기, 주터빈 계통, 감속기·주축 라인, 주냉각 펌프 하우징, 미사일 발사관 구조물이 내부에 들어간 상태"라고 말했다. 홍 선임연구위원은 "잠수함 중앙부에 서 있는 김 위원장의 선체 중앙부는 원자로 구획 부분"이라면서 "최고지도자에게 공개했다는 것은 원자로 탑재가 끝난 완전한 선체 실루엣 상태라는 의미"라고 설명했다. 향후 핵연료 장전과 완전한 원자로 시운전, 실출력 운전이 남아 있는 것으로 분석했다. 8700t급과 중형 순항유도탄 핵잠(SSGN), 함교와 발사관 구간이 연동된 설계라고 봤다. 홍 선임연구위원은 "25개의 다축 트롤리에 얹혀 있는 잠수함 공개와 배수량 기준 미국·러시아·중국 등의 통상 1만1000~1만8000t급의 전략핵잠(SSBN)이나 순항핵잠(SSGN) 보다는 작은 사이즈"라면서 "배수량 기준으로는 러시아의 아쿨라급(8000~8500t), 델타급 III·IV(9000~10000t)과 유사하다"고 분석했다. 김정은 북한 국무위원장이 8700t급 핵잠수함 건조 현장을 살펴봤다고 노동신문이 25일 전했다. 사진은 딸 주애와 함께 이야기 하고 있는 모습. 뒤편의 '군자리 혁명 정신'이란 글귀는 6.25 전쟁 당시 탄약과 무기 제조와 보급을 위해 지하 군수공장이 위치한 군자리의 주민들이 결사의 각오로 임했다는 점을 강조하는 선동 구호. [사진=노동신문] ◆SLCM에 소수 SLBM 운용 혼합형 배치 특히 홍 선임연구위원은 "북한이 공개한 잠수함의 특징은 중앙 미사일 발사관 구획과 함교를 구분하지 않고 일체화시킨 설계"이라면서 "함교(지휘·항법·센서·통신 상부구조)와 발사관(VLS) 사이에 독립 격벽을 치고 외관상 매끄럽게 연동된 외형으로 처리했을 가능성이 있다"고 판단했다. 선체골격에서는 러시아 델타급 III·IV, 선체 비율에서는 중국의 진급(Type 094)과 유사한 것으로 분석했다. 중앙부가 두툼해지는 배럴형(bulged) 실루엣으로 발사관을 중앙에 집중 배치하는 델타급의 전형적 특징과 유사하다. 중앙 발사관 높이를 함교와 연동시킨 것은 SLCM 이외에도 소수의 SLBM을 운용하는 혼합형 배치 가능성도 있다고 홍 선임연구위원이 분석했다. 북한의 잠수함 용어 표현과 잠수함 성격으로 봤을 때 순항핵잠(SLCM)용이거나 SLCM 다수와 SLBM 소수의 혼합 플랫폼으로 봤다. 홍 선임연구위원은 "핵동력 전략유도탄 잠수함을 영문판에 'nuclear-powered strategic guided missile submarine'로 표기해 'guided missile'은 통상 순항미사일(SLCM)"이라고 설명했다. 북한 김정은(왼쪽 셋째) 국무위원장이 핵잠수함 건조 현장을 돌아봤다고 노동신문이 25일 전했다. 사진은 노동당 군수공업부장 조춘룡(김정은 오른쪽) 등과 잠수함 설비를 살펴보는 장면. 뒤편으로 '침략자 미제와 대한민국 것들을 쓸어버릴 무기생산에 총권기하자'는 선동 구호가 보인다. [사진=노동신문]  ◆한국 해군 핵잠수함 건조·도입 속도 붙을 듯 홍 선임연구위원은 "일단 핵탄두 SLCM을 탑재하는 SSGN의 성격이라고 볼 수 있다"면서 "다만 소수의 SLBM과 다수의 SLCM 혼합 플랫폼 가능성도 배제하기 어렵다"고 말했다. 핵탄두와 재래식탄두 이중 용도의 전략 순항미사일을 탑재하는 잠수함일 경우에는 저고도 비행으로 요격 회피 가능성이 있어 '제2격' 보복능력이 신장될 것으로 분석됐다. 홍 선임연구위원은 "8700t급 SSGN일 경우 전략순항 미사일 화살-2, 화살-1라-3(대형화 개량형), 불화살-3-3-1 등을 탑재할 수 있고 사거리는 1500~2000km 정도일 것으로 보인다"고 관측했다. 잠수함 함수 부분에 어뢰관 6~7개가 식별돼 핵어뢰 탑재 가능성도 나온다. 현재 미국은 공격핵잠(SSN) 50척과 순항핵잠(SSGN) 4척, 전략핵잠(SSBN) 14척 잠수함 전력으로 전 세계를 상대로 24시간 365일을 중단 없이 전략·전술 작전을 벌이고 있다. 북한이 핵잠 실물 전체를 전격 공개함에 따라 향후 한국의 핵잠 건조와 도입도 속도가 붙을 것으로 보인다. kjw8619@newspim.com 2025-12-25 14:17
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연말 공항은 설렘으로 가득하다 [서울=뉴스핌] 신수용 기자 = #. 스타트업 입사 4년 차인 30대 직장인 A씨는 연말에 아껴둔 휴가를 소진하기로 결심했다. 그동안 여러 프로젝트로 쓰지 못한 연차를 모두 사용하기로 했다. 회사에서도 연차 소진 권고가 내려지면서 징검다리 연휴를 눈치 보지 않고 사용할 수 있는 분위기가 조성됐다. 이에 A씨는 크리스마스 이브인 23일, 24일과 26일 연차를 내고 22일 저녁 일본에 도착해 여정을 시작하는 6박 7일 여행을 다녀오기로 마음먹었다. [서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 24일 비행기 출발을 기다리는 이들로 설렘이 가득차 있던 김포공항에는 크리스마스 이브를 맞이해 화요일인 26일 징검다리 연휴에 연차를 낸 이들과, 고국으로 돌아가는 외국인 관광객 등이 공항에 자리했다. 2025.12.24 aaa22@newspim.com 24일 크리스마스를 앞둔 김포공항은 여행객으로 북적였다. 크리스마스 다음날인 26일 금요일 하루를 연차로 내면 최소 3박 4일의 휴가를 즐길 수 있어서다. 내년 1월 1일 신정까지 연차를 내면 최장 11일을 휴가로 사용할 수 있다. 커다란 캐리어를 양손에 쥐고 있는 하루토(가명·23) 씨는 이날 고국인 일본으로 돌아간다. 그는 "한국 여행을 마치고 가족들과 크리스마스와 연말을 함께 보내기 위해 고국인 일본에 가기로 했다"고 설명했다. 이날 출국장에는 외국인들이 화장품 등 다양한 선물을 가득 담은 박스와 커다란 캐리어를 밀며 분주히 오갔다. 출국장에 위치한 체크인 줄에는 커다란 기내용 캐리어를 쥔 사람들로 줄들이 가로세로 빽빽히 차 있었다. 이른 아침 시간에 출발하느라 챙기지 못한 끼니를 벤치에 앉아 간단히 빵과 커피로 때우는 이들도 간간히 보였다. 안양에서 왔다는 30대 커플은 "4박 5일 일정으로 대만으로 갈 예정"이라며 "직장인이라 업무 때문에 더 휴가를 내지 못해 아쉽다. 뒤에 휴가를 더 붙였다면 유럽에 가고싶었다"고 아쉬워했다. 이어 "업무가 쌓여있어도 연차를 아예 날릴 수는 없고 (회사에서도) 소진하라는 분위기여서 다행이었다"라며 "대만에서 맛있는 음식을 많이 먹어보고 싶다"며 기대감을 감추지 못했다. [서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 24일 김포공항 출국장 한 켠에 쌓여 있는 캐리어와 수화물들. 2025.12.24 aaa22@newspim.com 이날 공항에서 만난 40대 여성은 서울 서초구 양재에서 공항으로 왔다. 그는 "중국 상하이에서 근무하는 남편을 만나러 간다"며 "중국에서 2주 정도 같이 연말을 보낼 것"이라고 말했다. 해외에서 보내는 장기 휴가가 가능한 이유는 크리스마스인 25일, 내년 신정인 1월 1일이 각각 목요일이기 때문이다. 금요일인 26일(금요일), 29일부터 31일까지, 내년 1월 2일(금요일) 등 총 5일의 연차를 사용하면 최장 11일의 휴가를 즐길 수 있다. 가족끼리 휴가일을 맞춰 같이 해외 휴가를 가는 경우도 있었다. 장승훈(28·건국대 컴퓨터공학과) 씨는 "참여하고 있는 개발자 관련 프로그램에 양해를 구하고 나를 포함해 총 6명이 중국 상하이로 어머니 생일과 가족 기념일을 겸해 가족 여행을 간다"며 "아버지나 삼촌 등 다른 분들도 휴가를 낼 수 있었던 것 같은데 중국을 가본 적이 없어 기대가 된다"고 말했다. 이날 출국하는 여행객들의 목적지는 일본과 중국이 대부분이었다. 고환율과 엔저의 영향으로 여행 경비 부담이 비교적 덜한 일본이나 중국이 인기 관광지로 꼽혔다. 여행 전문 기업 노랑풍선에 따르면 올해 12월 25일부터 내년 1월 4일까지 노랑풍선을 통해 해외 패키지여행을 예약한 고객 수는 전년 동기간 대비 약 10% 증가한 것으로 나타났다. 특히 이중 일본이 30%로 가장 높았고, 중국(20%)이 그 뒤를 이었다. 베트남과 필리핀은 각각 16%, 7%를 차지했다. 노랑풍선 관계자는 "한한령 완화와 단체 비자 발급 확대, 주요 노선의 항공편 증편 등 여행 여건이 개선되면서 중국 여행객이 늘었다"며 "긴 연휴로 장거리 여행을 가는 이들이 생기며 유럽은 8% 수준을 늘었다"고 설명했다. aaa22@newspim.com 2025-12-24 14:41
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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