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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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도미니카-베네수전 AI 전망은 * 'AI MY 뉴스'가 제공하는 AI 어시스턴트로 요약한 내용으로 퍼플렉시티 AI 모델이 적용됐습니다. 상단의 'AI MY 뉴스' 로그인을 통해 뉴스핌의 차세대 AI 콘텐츠 서비스를 활용해보기 바랍니다. [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = '기적의 8강'을 이룬 한국 야구 대표팀이 천신만고 끝에 마이애미행 비행기를 탔다. 류지현호가 월드베이스볼클래식(WBC) 8강 무대에서 만날 D조 1위 후보 도미니카공화국과 베네수엘라는 얼마나 강한 팀일까. 한국이 4강에 오를 확률과 8강전 전망을 AI에게 물었다. ◆ '우승 후보' 도미니카와 만날 경우 도미니카 라인업을 들여다보면 '초호화 군단' 미국 못지않다. 후안 소토, 블라디미르 게레로 주니어, 페르난도 타티스 주니어, 훌리오 로드리게스, 매니 마차도. 1번부터 6번까지 사실상 모두가 미국프로야구 메이저리그(MLB) MVP·실버슬러거급 타자들이다. 하위 타선이라고 해도 한국 투수들에겐 숨 고를 구간이 없다. 마운드도 만만치 않다. 샌디 알칸타라를 비롯한 메이저리그 에이스급 선발들이 버티고 있다. 6회 이후에는 시속 160㎞에 가까운 강속구를 뿌리는 불펜 투수들이 줄줄이 대기한다. 조별리그에서도 초반에 대량 득점을 만든 뒤 불펜으로 경기를 잠그는 장면이 반복됐다. [AI 일러스트=박상욱 기자] 도미니카는 조별리그에서 압도적인 투타를 앞세워 니카라과를 12–3, 네덜란드를 12–1(7회 콜드게임)로 완파했다. 객관적인 전력, 메이저리그 경험치, 장타 생산력 모두 도미니카가 한국보다 한 수 위라는 평가다. 확률로 환산하면 중립 구장 기준 도미니카 승리 65~75%, 한국 승리 25~35% 정도의 매치업이다. '10번 붙으면 3번 정도 잡는 상대'라는 표현이 크게 틀리지 않는다. [마이애미 로이터=뉴스핌] 도미니카공화국 선수들이 10일에 열린 WBC 이스라엘과의 경기에서 타티스 주니어가 만루홈런을 쏘아 올리자 세리머니를 하고 있다. 2026.03.10 wcn05002@newspim.com '언더독' 한국이 '업셋'을 노리기 위한 조건은 분명하다. '저득점 접전+완벽한 수비+효율적인 찬스 처리'라는 세 가지다. 적어도 경기 중반까지는 접전을 유지해야 한다. 수비에서 단 한 번의 실수도 허용해선 안 된다. 실책은 곧 장타와 빅이닝으로 이어질 가능성이 크다. 공격에서는 장타 싸움이 아니라 '스몰 야구'로 괴롭혀야 한다. 김도영이 출루하고 이정후, 문보경 등 중심 타선이 적시타로 점수를 만들어야 한다. ◆ '다크호스' 베네수엘라와 만날 경우 베네수엘라는 결이 조금 다르다. 도미니카가 '대포 군단'이라면 베네수엘라는 '소총 부대'에 가깝다. 베네수엘라의 간판 타자 로날드 아쿠냐 주니어가 리드오프로 출루의 물꼬를 트고, 'MLB 최고의 교타자' 루이스 아라에즈가 콘택트와 출루를 책임진다. 여기에 윌리엄 콘트레라스와 윌슨 콘트레라스 형제의 장타력이 더해진다. 한 방보다 끊어지지 않는 공격 흐름이 강점이다. 글레이버 토레스와 안드레스 히메네스가 구성하는 미들 인필드의 수비력과 주루 센스가 공수의 안정감을 더한다. [AI 일러스트=박상욱 기자] 마운드도 탄탄하다. 에두아르도 로드리게스, 레인저 수아레스 등 메이저리그에서 검증된 좌완 선발들이 포진해 있다. 불펜 역시 다양한 유형의 투수들로 구성돼 있다. 조별리그에서도 화끈한 득점 쇼보다는 실점을 억제하는 야구로 승리를 쌓았다. 네덜란드를 6–2, 이스라엘을 11–3, 니카라과를 4–0으로 꺾으며 안정적인 경기 운영을 보여줬다. [마이애미 로이터=뉴스핌] 베네수엘라 선수들이 10일에 열린 WBC 니카라과와의 경기에서 아쿠냐 주니어가 솔로홈런을 쏘아 올리자 세리머니를 하고 있다. 2026.03.10 wcn05002@newspim.com 그래도 한국 입장에서는 도미니카보다는 숨통이 조금 트이는 상대다. 한국 승리 확률은 약 35~45% 수준으로 평가된다. 장타 뎁스는 도미니카보다 한 단계 낮고, 대신 콘택트·주루·수비 중심의 야구를 하기 때문이다. 한국이 강점을 가진 수비 집중력과 작전 야구, 불펜 운영으로 흐름을 끌고 갈 여지도 있다. 베네수엘라의 테이블세터인 아쿠냐 주니어와 아라에즈의 출루를 최대한 봉쇄하는 것이 중요하다. 공격에서는 거포의 한 방보다 강한 땅볼과 라인드라이브 타구를 중심으로 번트와 히트앤드런을 섞어 상대 내야 수비를 흔드는 접근이 필요하다. psoq1337@newspim.com 2026-03-10 13:01
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    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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