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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능은 강아지와 고양이를 어떻게 구분할까?

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알고보면 흥미로운 선형대수(linear algebra. 線型代數)

보통 고등학교 때 처음 수학 ‘행렬’을 배운다. 행렬은 다차원적인 숫자의 나열로 2차원인 경우 '(x,y)'로 표현된다. 대부분의 고등학교 수학처럼 왜 배워야 하는지, 어디 쓰는지 그때 알기 어렵다. 그런데 이 행렬 수학이 ‘인공지능 컴퓨터 계산’의 핵심 방법이다.

김정호 카이스트 교수

필자는 대학 2학년때 ‘선형 대수학’이라는 수학과목을 수강했다. 행렬의 수학적 의미와 원리를 배운다. 이 과목은 필자가 대학 때 공부한 과목 중에 가장 감동적이고 재미가 있었다. 수학 논리 전개의 아름다움을 깊이 느끼는 계기가 됐기 때문이다. 전기공학이나, 전자 공학, 전산 과목 또는 물리학 과목이 아니라 ‘수학과목’이었던 기억이 흥미롭고 그 중에서도 선형대수학이라는 과목이라는 점도 지금도 신기하다.

선형대수학에서는 벡터에서 출발해서 행렬의 정의하고 행렬의 기본이 되는 원리들을 순서대로 제시하고 증명한다. 행렬 속의 각 열 벡터가 서로 상호 의존적인가 독립적인가 논의한다. 서로 선형적이면 종속적이고 비선형적이면 독립적이다. 각 열 벡터가 독립적 벡터로 이루어진 행렬은 역행렬이 존재하고 구할 수 있다. 역행렬이 존재하는 행렬은 그 벡터들을 더하고 곱해서 변형하면 대각행렬(Diagonal Matrix, 대각선 부분 숫자만 있고 나머지는 모두 ‘0’인 행렬)가 될 수 있다.

선형대수 과목에서는 이러한 이론들을 처음부터 끝까지 200 여 페이지 책에서 순서대로 빈틈없이 증명한다. 처음부터 끝까지 한 개의 논리적 오점 없이 전체를 증명하고 전개해 간다. 이러한 논리의 완결성이 눈부시기까지 하다. 완벽하게 논리적이다.

행렬의 구성과 곱셈 공식. [출처: 정보통신 기술용어해설]
대각행렬의 구성과 조건. [출처: 정보통신 기술용어해설]

 

강아지와 고양이를 구분하게 해주는 'CNN 알고리즘'


요즈음 행렬 계산이 공학적으로 더욱 중요해 지고 있다. 모든 빅데이터가 디지털로 기록되기 때문이다.

그 중에서도 데이터의 깊이가 크고 정보량이 많은 데이터가 영상 이미지이다. 카메라에서 얻은 이미지는 카메라 센서가 2차원 평면 배열로 되어 있다. 이 배열 자체가 (x,y) 2차원이다. 여기에 색깔 정보, 밝기 정보, 빛의 세기 정보가 더해지면 N 차원 정보가 되고 이를 수학적으로 표시하면 N 차원 행렬이 된다. 그래서 유튜브의 사용이 더욱 확대되면 행렬 계산양도 늘어난다.

인공지능 딥러닝 알고리즘 중에서 영상 이미지 판독에 가장 유효하게 쓰이는 방법이 CNN(Convolution Neural Network) 이라는 알고리즘이다. CNN 에는 여러 개의 신경망 층으로 이루어져 있다. 쉽게 이야기해서 CNN 입력으로 사진이 들어가면 CNN이 강아지인지, 고양이 인지, 곰인지, 사슴인지 찾아 낸다.

그런데 이 CNN 에서 여러 개의 신경망 층(Layer)을 지나면서 각 층의 출력이 단순화되고 추상화 되어 나간다. 이러한 과정을 거치면서 입력이 수천 다차원 행렬이라 하더라도 최종 출력은 ‘동물의 이름’이 되기 때문이다. 이렇게 크기가 큰 행렬을 줄여나가는 과정을 수학적으로 함수 합성곱(Convolution) 이라고 한다. 이 과정은 수식적으로 볼 때 크기가 큰 행렬에 작은 크기의 행렬을 계속 곱해서 얻는다.

이 곱하는 작은 행렬을 필터 행렬이라고 한다. 이렇게 되면 각 신경망 층이 추상화(Abstraction) 과정을 하게 된다. 첫 층의 입력이 사진이라면 2층은 윤곽을 표현하고, 3층은 코, 입, 귀를 판단하고, 뒷 부분 층은 남녀 인종 등을 파악하고 최종적으로 누구인지 파악하는 과정을 거친다. 이처럼 CNN 에서도 학습과정에서 계속해서 행렬 연산이 이루어져 있다.

사진과 영상 분석에 유용한 인공지능 알고리즘인 CNN의 구성도. [출처: Intel]

행렬과 텐서

그러니 인공지능을 위한 프로그램을 만들기 위해 소프트웨어 코딩을 한다는 것은 수많은 행렬연산을 계획된 순서대로 짜는 것과 같다. 특히 인공지능의 학습과정과 ‘판단(Decision)’ 혹은 ‘추론(Inference)’을 내릴 때 수 많은 행렬 연산을 한다. 그래서 인공지능을 연구하고 개발한다는 의미는 행렬 연산에 묻혀 사는 것과 같다.

이처럼 다차원 행렬을 수학에서 텐서(Tensor)라고 부른다. 그러므로 스칼라(Scalar)는 ‘0 텐서’, 벡터(Vector)는 ‘1 텐서’, 행렬은 ‘2 텐서’라고 부르기도 한다. 구글에서 제공하는 인공지능 계산 플랫폼을 텐서 플로우(Tensor Flow) 라고 부르는 것이 이런 배경이 된다. 인공지능에서 다 차원 행렬인 텐서 계산이 딥러닝 층을 지나가면서 쭉 흘러간다. 이 수학적인 과정이 학습과 판단 과정이다.

재미있는 드라마에는 ‘암시’를 주고 되살아나는 과정이 있으며, 이 과정이 드라마의 재미를 더해 준다. 암시는 장면, 만남, 표정, 대사에서 다양하게 나타난다. 특히 드라마 초반에 나타나 미래 전개 과정을 암시한다. 필자가 대학 2학년 때 선형대수 과목에 푹 빠졌던 것은 40년 후 다가올 4차 산업혁명 시대와 인공지능 시대를 암시했는지도 모른다.

구글의 오픈소스 인공지능 플랫폼 텐서 플로우, [출처: Data Flair]

 

 

joungho@kaist.ac.kr


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

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발견 어려운 췌장암 AI로 조기 진단 [베이징=뉴스핌] 조용성 특파원 = 중국 알리바바가 개발한 AI 솔루션이 췌장암 조기 진단을 해내는 것으로 나타났다. 췌장암은 발견하기가 극히 어려운 암으로, 보통 말기에 발견된다. 때문에 췌장암은 진단 후 5년 생존율이 10%에 불과하다. 중국의 AI 솔루션이 중국의 한 병원에서 시범 적용되고 있으며, 이를 통해 췌장암 조기 발견 사례가 늘고 있다고 뉴욕타임스 중문판이 6일 전했다. 알리바바가 개발한 이 솔루션의 명칭은 'PANDA(인공지능 췌장암 검사 시스템)'이다. 촬영된 CT 영상을 AI가 판독해 췌장암 확진을 결정하는 소프트웨어다. PANDA는 중국 내 여러 병원에서 임상을 진행 중이다. 이 중 한 곳은 닝보(寧波)대학 인민병원이다. 닝보대학 인민병원은 2024년 11월 PANDA를 도입해 임상시험을 시작했다. 현재까지 PANDA는 18만 건 이상의 복부 혹은 흉부 CT를 분석했고, 이를 통해 20건 이상의 췌장암을 발견했다. 이 중 14건은 조기 진단이었다. 췌장암은 조기 진단될 경우 수술을 통한 제거가 가능하다. 한 환자의 경우 복부 팽만감과 메스꺼움의 증상으로 병원을 찾아 CT를 촬영했으며, 췌장 전문 검사를 받지 않았지만, 췌장암 판정을 받았다. 현지 의사는 "PANDA의 식별이 없었으면 결코 췌장암 판정을 못 하는 상황이었으며, PANDA로 인해 환자의 췌장암이 조기에 발견됐고 수술을 통해 완치될 수 있었다"며 "AI가 환자의 생명을 구했다고 볼 수 있다"고 소개했다. 아직은 오차율이 비교적 높은 상태다. PANDA는 그동안 1400건의 스캔 영상에 대해 췌장암 가능 경고를 했다. 전문의들은 이 중 300개에 대해서만 정밀 진단이 필요하다고 판단했다. 이후 300명의 환자는 재검사를 받았다. 이 중 20여 건이 췌장암으로 판정받았다. PANDA를 개발한 곳은 알리바바 산하 다모(達摩)연구소다. 연구소의 베테랑 알고리즘 전문가는 2000명 이상의 췌장암 환자의 CT 영상을 취득해 방사선 전문의들에게 병변 위치를 수작업으로 표시하도록 요청했다. 그리고 결과물을 AI 학습으로 훈련시켰으며, 이를 통해 PANDA는 선명도가 낮은 CT 이미지에서도 췌장암을 식별할 수 있게 됐다. 알리바바의 PANDA는 지난해 4월 미국 식품의약국(FDA)으로부터 패스트트랙 의료 기기로 선정됐다. 해당 제도는 성능이 뛰어난 의료 기기의 경우 임상 시험 기간을 단축시켜준다. 캘리포니아 대학의 한 교수는 "임상 경험이 풍부한 전문가보다 PANDA가 의사들에게 더 가치가 있을 것"이라며 "PANDA와 같은 솔루션은 지방 병원이나 진료소의 유용한 보조수단이 될 것"이라고 평가했다. 중국 병원 자료사진. [신화사=뉴스핌 특약] ys1744@newspim.com 2026-01-06 11:36
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9월 북극항로 첫 시범운항 [부산=뉴스핌] 최영수 선임기자 = 해양수산부가 올해 북극항로 개척에 본격 나선다. 오는 8월 말에서 9월 중 컨테이너선(3000TEU급)을 투입해 시범운항을 실시할 예정이다. 이를 위해 상반기 중 시범운항에 참여할 선사 및 화주를 모집해 선정할 방침이다. ◆ 북극항로 개척 원년…첫 시범운항 주목 김성범 해양수산부 장관직무대행(차관)은 지난 5일 부산청사 해양수산부에서 신년 기자간담회를 열고 이 같은 내용을 포함한 새해 정책방향을 제시했다. 그는 "오는 9월 전후에 시범운항을 할 수 있도록 준비하고 있다"면서 "3000TEU급 컨테이너선을 투입할 예정"이라고 밝혔다. 이어 "3000TEU급 컨테이너선이 대형에 비하면 작다고 할 수 있지만, 크기는 중요하지 않다"면서 "중국이 지난해 운항한 선박도 4000TEU급 수준"이라고 설명했다. 김성범 해양수산부 장관직무대행(차관)이 지난 5일 부산청사 해양수산부에서 신년 기자간담회를 열고 새해 정책방향을 설명하고 있다. [사진=해양수산부] 2026.01.06 dream@newspim.com 김 대행은 "시범운항을 위해 올해 상반기 중에는 선사와 화주를 선정할 예정"이라면서 "시범운항이라는 면에서 여러 가지 인센티브를 제공할 방침"이라고 밝혔다. 다만 "선사가 선정되면 선사가 희망하는 게 있기 때문에 이를 반영해서 잘 결정하겠다"고 덧붙였다. 부산신청사 건립과 관련해서는 "내년 예산에 (신청사)설계비를 반영할 예정"이라면서 "내년부터 구체적인 (청사 건립)절차를 시작할 계획"이라고 밝혔다. UN해양총회 개최지와 관련해서는 "개최도시 선정은 UN과도 협의해야 할 사항"이라면서 "(유치에)관심 있는 도시들과 협의해서 결정하겠다"고 설명했다. ◆ 부산해양수도 조성 첫발…유관기관 모으기 가속 김 대행은 지난 5일 부산청사에서 열린 해수부 시무식에서 신년사를 통해 "북극항로 시대에 대비한 동남권 대도약을 실현하겠다"고 제시했다. 이를 위해 해양수산분야 유관기관을 부산으로 모으는 작업이 본격화될 전망이다. 해수부 산하기관들도 올해 부산 이전이 본격화될 것으로 보인다.  김 대행은 "기업, 공공기관, 해사법원, 동남권투자공사 등이 집적화된 해양클러스터 조성을 추진해 나가겠다"면서 "부산항을 세계 최대 규모의 항만으로 개발하고, 터미널 운영 효율화와 종합 항만서비스 제공을 통해 글로벌 물류 요충지로 성장시키겠다"고 다짐했다. 이어 "북극항로 시대에 대비한 동남권 대도약을 실현하겠다"면서 "부산에서 로테르담까지 북극항로 시범운항을 추진하고 해양수도권 육성전략을 조속히 수립하겠다"고 강조했다. 2026년 해양수산부 업무계획 [자료=해양수산부] 2025.12.23 dream@newspim.com dream@newspim.com 2026-01-06 11:00
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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.
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