[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능도 아름다움 느낄 수 있다

기사입력 : 2018년12월10일 07:55

최종수정 : 2018년12월10일 08:01

반도체 설계, 알고보면 예술

반도체 설계 작업은 여러 가지 단계를 거친다. 제일 먼저 구현하려는 반도체의 기능과 성능 규격을 정한다. 그리고 실리콘과 같은 반도체 물질을 정하고, 공정을 제공할 파운더리(Foundary)기업을 정하고, 파운더리 기업으로부터 설계 변수(Parameter)들을 얻는다.

김정호 카이스트 교수

다음으로 반도체 내의 각 블록(Block)들을 배치하고, 그 블록들을 논리회로(Logic circuit)로 만들고, 그 다음 단계로 트랜지스터 레벨의 회로도(Circuit diagram)를 그린다. 설계의 마지막 단계에서는 물리적으로 실리콘 위에 공정 실현 작업을 위한 마스크 패턴(Mask pattern) 설계를 한다. 이 물리 레빌의 마스크 패턴 설계 결과를 ‘레이아웃(Layout)’ 이라고 부른다.

여기서 마지막 설계 결과물인 레이아웃 도면이 반도체 제작의 물리적 공정의 광 마스크(Photo mask)가 된다. 반도체 공정의 경우 빛을 이용한 사진 작업으로 금속이나 절연물을 입히고 깍는다. 그리고 마스크 패턴으로 불순물(Minority carrier)을 주입한다.

이렇게 완성된 실리콘 위의 패턴이 트랜지스터, 금속 배선, 캐패시터 등이 된다. 수조개의 이들을 연결해서 반도체의 기능을 완성한다. 그래서 여기서 레이아웃이 실리콘 공정의 사진 원판에 해당된다고 볼 수 있다.

같은 회로도라 하더라도 물리적 구현을 위한 다양한 패턴 설계가 있을 수 있다. 블록의 배치, 회로의 좌우 배치, 대칭, 직렬 연결, 병렬 연결, 회전 각도 등에 따라 반도체의 성능의 차이가 난다. 패턴 설계에 따라 연결선이 길어져서 계산 시간이 더 걸릴 수도 있고, 전력 소모가 늘어날 수 있다.

이러한 잘 된 설계 도면은 눈으로 보면 한눈에 아름답게 보인다. 잘 구현된 설계는 컴퓨터 화면에서 일단 각 마스크 패턴의 색깔부터가 아름답다. 설계 엔지니어의 색깔 선택부터가 중요하다. 색깔 선택이 잘된 레이아웃은 나중에 반도체를 만들어 제작해서 테스트해 보면 결과가 더 좋다. 미적 감각이 전기적 성능을 결정한다. 정성이 들어가기 때문이다. 레이아웃 설계 도면이 아름답다는 의미는 대칭이 잘 이루어져 있고, 배치가 균형이 있다. 안정감이 있다는 경우이다. 그래서 한 눈에 예쁘다.

SK 하이닉스의 0.18 um 공정을 이용해 설계한 반도체 전력회로인 IVR(Integrated Voltage Regulator) 레이아웃 도면. [출처: KAIST]

가장 아름다운 인류 건축물 중 하나가 이탈리아의 신전 판테온이다. 다신교 국가인 로마에서 특정 신이 아니라 모든 신에게 바치는 신전으로 건축되었다. 현존하는 그 어떤 로마 건축물보다 보존이 잘 되어 있으며, 남아있는 가장 오래된 거대 돔 건축물이기도 하다. 직경 43.3m에 달하는 거대한 돔은 콘스탄티노폴리스의 성 소피아 성당이 지어지기 전까지는 비견될 돔이 없었을 정도이다.

둥근 돔의 곡선 모습, 그리고 기둥의 날렵함이 합쳐져서 아름다움을 실현했다. 좌우가 대칭이고, 돔, 기둥, 전체의 비례가 이상적으로 보인다. 안정감이 있다. 돔은 투구 같다. 기둥은 퀸의 프레디 머큐리 다리 같이 미끈하다.

판테온 측면도. [출처: Doopidia]

아름다움의 비밀은 '비율'에 있다

레오나르도 다빈치는 인체 비례도를 통해서 인체의 비율에 대해서 논의했다. 그리고 건축도 인체를 따라야 한다고 주장했다.

인체 비례도(Canon of Proportions)는 레오나르도 다 빈치의 소묘 작품이다. 그는 "자연이 낸 인체의 중심은 배꼽이다. 등을 대고 누워서 팔 다리를 뻗은 다음 컴퍼스 중심을 배꼽에 맞추고 원을 돌리면 두 팔의 손가락 끝과 두 발의 발가락 끝이 원에 붙는다. 정사각형으로도 된다. 사람 키를 발바닥에서 정수리까지 잰 길이는 두 팔을 가로 벌린 너비와 같기 때문이다"라고 말하였다.

이러한 시도와 성과는 ‘아름다운 인체, 생물, 동물, 자연 모습에도 비례, 균형의 룰이 존재한다’ 는 사실을 일깨워 준다. 아름다움에도 규칙이 존재한다. 따라서 아름다운 건축물도 이를 따른다.

레오나르도 다빈치의 인체비례도. [출처: 나무위키]

인공지능, 비율 알기에 아름다움도 학습 가능하다

인간에게 아름답게 보이는 설계는 자연을 닮았다. 우리는 자연에서 평화와 평안을 느끼고 있기 때문이다. 생존에 유리한 환경이 아름답다. 그래서 자연을 닮은 설계가 아름답게 여겨진다. 거기에는 색깔, 균형, 대칭, 비율의 법칙이 있다.

우리가 자연에서 그리고 인체에서 아름다움을 느끼는 이유는 인류의 진화와 관계가 클 것으로 생각한다.

인간에게 아름다움은 태어나면서 자라면서, 경험하면서, 또는 진화하면서 꾸준히 학습되었을 것이다. 그러니 인간이 느끼는 아름다움도 환경과 진화 학습의 결과로 인간의 DNA와 뇌 기억 속에 남았다. 마찬가지로 이렇게 학습된 결과가 반도체 레이아웃 설계와 역사적 건축물에 인쇄되어 남았다.

따라서 인공지능에게 아름다운 사진을 수 백만 장, 수 천만 장 보여주면서 학습시켜 주면, 아름다운 명작 그림을 고를 수 있다. 인공지능에게 전세계 아름다운 건축물 사진을 매일 매일 매초 보여주고 학습을 시킨다. 그러면 인공지능이 명작 건축물 고를 수 있다. 더 나아가 아름다운 그림도 건축물도 설계할 수 있다. 인공지능에게 로마 여행을 시키면 된다.

인공지능 창작과 설계의 완성도와 미적 수준은 우리가 인공지능에 제공한 데이터의 양과 질에 달려 있을 뿐이다.

joungho@kaist.ac.kr

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

사진

광복군, 일본군 무장해제 "항복사실 모르느냐? 변상문의 '화랑담배'는 6·25전쟁 이야기이다. 6·25전쟁 때 희생된 모든 분에게 감사드리고, 그 위대한 희생을 기리기 위해 제목을 '화랑담배'로 정했다. 우리는 그들에게 전의(戰意)가 없는 것을 보이기 위해 기관단총을 모두 어깨에 걸쳤다. 그러고도 만일을 위해서 각각 산개하면서 뛰어내리기 시작했다. 드디어 내 차례가 왔다. 몸을 날렸다. 아. 그때 그 바람 냄새, 그 공기의 열기, 아른대는 포플러의 아지랑이, 그리고는 아무것도 순간적이었지만 보이지 아니했다. 그러나 어쩐 일인가? 우리 주변엔 돌격 태세에 착검한 일본군이 포위하고 있었다. 워커 구두 밑의 여의도 모래가 발을 구르게 했다. 코끼리 콧대 같은 고무관을 제독총에 연결한 험상궂은 방독면을 뒤집어쓴 일본군이 차차 비행기를 중심으로 원거리 포위망을 좁혀오고 있었다. 너무나도 위험한 상황이었다. 이것이 그리던 조국 땅을 밟고 처음 맞은 분위기였다. 동지들은 눈빛을 무섭게 빛내면서 사주경계를 했다. 그러나 아직 기관단총을 거머쥐지는 아니했다. 여의도의 공기가 움직이지 않는 고체처럼 조여들어 왔다. 뿐만 아니었다. 타고 온 C46형 수송기로부터 한 50여m 떨어진 곳의 격납고 앞에는 실히 1개 중대나 되는 군인들이 일본도를 뽑아 든 한 장교에게 인솔되어 정렬해 있었다. 그 앞에는 고급장교인 듯한 자들이 한 줄 또 섰고, 장군 몇 명도 있는 듯했다. 그러나 무엇보다도 8월 18일 한낮의 그 뜨거운 여의도 열기가 우리를 더욱 긴장시켰다. 격납고 뒤에까지 무장한 군인이 대기하고 있었다. 중형전차의 기관포도 이쪽을 향하고 있었다. 환호하는 광복군. [사진= 국사편찬위원회] 비행장 아스팔트 위엔 한여름의 복사열이 그 위기의 긴장처럼 이글대고 있었다. 어느새 우리는 땀에 젖어 있었다. 기막힌 침묵이 십여 분이나 지났다. 그러나 그들은 어떤 행동도 취해 오지 않았다. 마침내 우리가 발걸음을 옮겼다. 우리는 일본군 고급 장교들이 늘어선 쪽으로 한걸음 씩 움직였다. 각자 산개, 조심하라! 누군가가 이렇게 나직하게 말했다. 서해 연안으로 비행기가 고도를 낮출 때 누군가가 유서를 쓰던 일이 이 순간 내 머릿속에서 상기되었다. 일본군 병사들은 우리가 다가서자 의외로 포위망을 풀 듯이 비켜섰다. 우리는 아직 기관단총을 어깨에 멘 그대로였다. 일본군이 길을 열어주자, 그들도 일본군 육군 중장을 선두로 한 장교단이 우리 쪽으로 오기 시작했다. 그가 바로 조선주차군사령관 죠오쯔끼(上月良夫)였다. 쬬오쯔기는 그의 참모장 이하라 소장과 나남 사단장과 참모들을 뒤로 거느렸다. 우리도 좌우로 벌려 섰다. 쬬오쯔기가 「나니시니 이라시따노?(무슨 일로 왔소?)」말문을 열었다. 퍽 야무지게 보였다. 우리는 말 대신 영등포 상공에서 뿌리다 남긴 선전 전단을 내밀어 주었다. 우리의 임무가 일본어와 우리말로 적힌 전단이었다. 거긴 또 우리가 이렇게 들어오게 된 사연도 적혀있었다. 우리는 한 장씩 그 전단을 다른 일본군 장교들에게 나누어 주었다. 쬬오쯔끼는 이를 받아 읽고, "일본은 정전만 한 상태이니 일단 돌아갔다가 휴전 조약이 체결된 다음에 재입국하라"라고 말했다. 그러면서 은근히 위협했다. 자기네 병사들이 꽤 흥분되어 있으니, 만약 돌아가지 않으면 그 신변 보호에 안전책임을 지기가 어렵다는 분위기라고 했다. 이에 이범석 장군이 "네 놈들의 천황이 이미 연합국에 무조건 항복한 사실을 모르느냐? 이제부터는 동경의 지시가 필요 없다는 것을 알아야 한다"라고 맞섰다. 그러나 쉽사리 양보하지 않았다. 옥신각신 말이 몇 번 건너 왔다 갔다. 갑자기 쬬오쯔끼는 한 일본군 대령에게 일을 처리하라고 지시했다. 그러면서 그는 동경서 손님이 오기로 되어 있어 마중을 나와 있던 참이란 말을 하고는 물러가 버렸다" 이범석 장군은 일본군 측에 "조선 총독을 만나 담판 짓겠다'라고 요구했으나 거절당했다. 일본군 무장해제 임무를 띠고 국내로 들어 온 '광복군 국내정진군'은 아무런 소득도 올리지 못한 채 다음 날 8월 19일 14:30분 여의도 기지를 이륙하여 중국으로 돌아갔다. 광복군은 미군정이 시작되고 나서 한참이나 지난 다음에 개인 자격으로 귀국할 수밖에 없었다. 조짐이 좋지 않았다. / 변상문 국방국악문화진흥회 이사장 2025-09-29 08:00

사진

중국 전기차 주행거리 두배 증가 배터리 개발 [베이징=뉴스핌] 조용성 특파원 = 중국이 에너지 밀도를 두 배 증가시킬 수 있는 전고체 배터리를 개발해 낸 것으로 나타났다. 중국 칭화(淸華)대학 화학공학과의 연구팀은 '음이온이 풍부한 용매화 구조 설계'를 개발해 냈으며, 이를 기반으로 불소 함유 폴리에테르 전해질을 성공적으로 만들어냈다고 중국 관찰자망이 30일 전했다. 해당 연구 성과는 논문 형식으로 국제 학술지인 네이처에 등재되었다. 연구진이 만들어낸 폴리에테르 전해질은 고체이며, 연구팀은 해당 전해질을 사용하여 전고체 배터리를 제작했다. 제작된 전고체 배터리는 604Wh/kg의 에너지 밀도를 기록했다. 이는 현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 150~320Wh/kg인 점을 감안하면 에너지 밀도가 두 배 이상 높아진 것이다. 동일한 무게의 배터리이지만 해당 전해질을 사용한 전고체 배터리는 두 배 이상의 전력을 충전할 수 있는 셈이다. 이론적으로 전기차의 1회 충전 주행 거리가 두 배 증가할 수 있게 된다. 현재 500km가량을 주행할 수 있는 전기차가 1000km를 주행할 수 있게 된다. 해당 전고체 배터리는 안전성 테스트도 통과하였다. 못을 박아도 화재와 폭발이 일어나지 않았다. 또한 120도의 높은 온도의 박스 안에 6시간 동안 방치되었지만, 연소나 폭발이 일어나지 않았다. 또한 500회 이상 충방전을 거치면서도 에너지 저장 용량은 안정적으로 유지되었다. 연구진이 만들어낸 전고체 배터리가 상용화된다면 많은 분야에서 활용이 가능해진다. 전기차의 주행 거리는 두 배 증가하며, 드론의 비행 거리도 두 배 증가하게 된다. ESS(에너지저장장치) 역시 부피당 저장 용량을 크게 끌어올리게 되며 ESS 소형화가 가능해진다. 칭화대 연구진이 개발한 전고체 전해질의 도식도 [사진=네이처 캡처] ys1744@newspim.com 2025-09-30 10:35