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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능 필수지식 '이산수학' 아시나요

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1, 2차 산업혁명에 기여한 '미적분학'

전자공학에서 대학 2, 3 학년때 배우는 가장 기초적인 과목이 전자기학, 전기회로, 전자공학이다. 그리고 반도체 물성이론도 같이 배운다. 이 과목들에서 반도체로 이루어진 프로세서, 센서, 메모리, 무선통신 반도체 회로를 설계하고 제작하는데 필요한 기본 이론을 얻는다. 그래서 2, 3 학년 과목들이 제일 중요하다.

        김정호 교수

이러한 과목에 사용되는 가장 중요한 수학적 방법론이 미적분학이다. 단순히 미분, 적분 문제 해법을 넘어서 미분으로 이루어진 미분방정식, 적분으로 이루어진 적분 방정식을 푸는 연습을 하게 된다. 특히 전자기학에서는 경계 조건과 구조의 대칭을 이용한 벡터의 미분방정식을 많이 풀게 된다.

이러한 이론은 5G 무선통신용 전송선, 안테나 설계에 활용된다. 전기 및 전자 회로 문제에서는 시간의 변화에 대한 미분 방정식을 많이 푼다. 전자 소자의 특성이 전압 또는 전류의 미분으로 표현되기 때문이다. 회로 미분 방정식은 초기 시작점의 전류 전압 조건을 이용해서 미분 방정식 문제를 푸는데, 경우에 따라 주파수 영역으로 이동해서 대수적으로 문제를 풀기도 한다.

이처럼 기존의 공학에 필요한 수학은 미적분이 많이 활용되었다. 미적분학이 자연과 공학 문제에 대한 모델 수립, 수학적 해법을 제공하면서 동시에 공학 문제에 대한 통찰력과 이해력을 키워준다. 하지만 요즘 실제 공학 문제가 이렇게 단순한 선형 미분방정식으로 표현되는 경우는 이제 거의 없다.

예를 들어 반도체 내부만 하더라도 수억 또는 수조 개의 트랜지스터가 있게 되는데, 인간이 미분 방정식으로 동시에 모두 풀기 불가능하다. 그래서 대부분 요즈음은 컴퓨터로 미분방정식을 풀고 있다. 그래서 MATLAB으로 알려진 수학 전용 소프트웨어를 잘 사용해야 한다. 이제는 미적분의 개념만 잘 알면 된다.

전자파 해석, 안테나 설계에 사용되는 Maxwell Equation들. 미적분 방정식으로 표현되어 있다. [출처: Researchgate]


인공지능 알고리즘에 꼭 필요한 '이산수학'

요즈음 4차 산업혁명에 필요한 빅데이터는 모두 ‘0’ 과 ‘1’ 의 2진수로 표현되는 디지털 신호로 표시된다. 특히 인공지능을 위한 알고리즘 계산도 컴퓨터 내에서 디지털 신호 계산으로 이루어 진다. 신경세포(Perceptron)에서의 덧셈, 곱셈 작업도 모두 디지털 계산으로 구현된다. 데이터도, 계산도, 저장도 모두 디지털 반도체에서 이루어지고 있다. 이처럼 데이터가 디지털인 이유는 반도체 메모리 저장 장치 자체가 디지털 소자이기 때문이다. 또한 데이터 전송을 위한 광통신 네트워크, 무선 통신도 모두 디지털 신호 전송으로 수행된다. 따라서 4차 산업혁명의 토대는 ‘0’과 ‘1’로 표현되는 2진수 수학에 있다고 본다. 그 수학을 ‘이산수학(Discrete Mathematics)’라고 부른다.

기존의 미적분학은 연속되는 함수의 기울기를 구하거나 면적을 구한다. 그런데 디지털 신호는 ‘0’ 과 ‘1’은 급격하게 불연속적으로 신호가 변화한다. 그 변화 시점에서 함수 값이 불연속적이다. 그러니 그 불연속 시점에서 함수를 미분하면 무한대가 된다. 따라서 디지털 신호 처리와 인공지능 알고리즘의 구현과 해석은 기존의 미적분으로 해결할 수가 없다. 그래서 디지털 신호의 해석에 가장 필요한 수학이 ‘이산수학(Discrete Mathematics)’가 되고 있다. 이산수학은 ‘2 진수 수학’ 혹은 ‘디지털 수학’이라고 부를 수도 있다.

이산수학에서는 디지털 세계의 기본적인 개념, 원리, 법칙을 활용하여 실생활에서 일어나는 디지털 상황의 문제를 수학적으로 정의 할 수 있는 능력을 배양한다. 그리고 이를 바탕으로 논리적으로 사고하고 합리적으로 문제를 해결하는 능력과 태도를 기를 수 있다. 특히 디지털 이산적 개념을 적용하는 디지털 컴퓨터 사용이 지속적으로 증가함에 따라 요구되는 컴퓨터공학, 정보통신, 소프트웨어 등의 정보기술(IT) 분야에서 이산수학을 바탕으로 시스템을 설계하거나 컴퓨터를 이용해 문제를 해결하는 방법을 학습 할 수 있다.

추가적으로 이산수학과 관련된 지식은 인공지능 알고리즘과 학습 방법을 개발하고, 인공지능 머신러닝의 구조를 설계하는데 학문적 기반이 된다. 예를 들어 디지털 행렬 계산과 논리회로도 이산수학에 포함된다. 결국 이산수학은 인공지능의 수학적 토대가 된다.

이산 수학을 이용한 논리 계산을 위한 기본 수식들, [출처: KAIST]
연속 함수 수학과 이산 수학의 비교, [출처: 네이버 블로그]

 

수학도 바뀐다 

여기에 더해 이산수학이 컴퓨터 소프트웨어 제작에 필요한 논리적 사고력을 함양하는 데 큰 도움이 된다. 컴퓨터 프소프트웨어의 가장 기본적인 구조인 제어문, 반복문, 서브루틴의 개념에는 순차적인 논리 사고가 필요하며, 이산수학으로 단련되어 논리적 사고를 할 수 있는 프로그래머가 더 높은 생산성과 훌륭한 성과물을 보인다. 마지막으로 컴퓨터 프로그램 제작을 위한 추상화와 알고리즘에 이산수학의 이론들이 실제로 사용된다.

이산수학은 디지털 정보이론, 그래프이론, 알고리즘과 같은 이산적인 분야를 다룬다. 이처럼 이산 수학은 컴퓨터 과학의 기초이론으로서 가장 중요한 위치를 차지하고 있다. 더 나아가 이산수학의 개념은 4차 산업혁명의 빅데이터, 인공지능에 필요한 수학적 근간이 된다고 말할 수 있다.

특히 인공지능 연구에 필요한 기초 수학이 디지털 미적분, 행렬, 확률과 통계이다. 더 나아가 전문가가 되기 위해서는 디지털 게임이론, 정보이론 등도 필요하다. 여기에 꼭 기초가 되는 수학이 이산수학이다. 그래서 앞으로 이산수학이 전공을 불문하고 대학 1,2 학년 때 꼭 필수적으로 수강해야 하는 과목으로 생각한다. 1,2,3 차 산업에 필요한 수학이 있었고, 이제 4차 산업혁명에 더욱 중요한 수학이 새로이 등장하고 있다. 이산수학이 그 중의 기초이다.

이산수학에 기초한 디지털 세계에서의 문제 추상화, 모델링, 계산 과정, [출처=KAIST]

 

joungho@kaist.ac.kr 

  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

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'100조 영업익' 역사 새롭게 쓴 삼성전자의 비밀은? [서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 삼성전자가 분기 영업이익 100조원을 돌파한 배경에는 메모리 반도체의 폭발적인 수익성 개선이 자리 잡고 있다. 고대역폭메모리(HBM)에 이어 범용 D램과 낸드플래시까지 가격이 급등하면서 메모리 전반이 이례적인 초고마진 구간에 진입했다. 특히 범용 D램의 수익성이 HBM을 추월하는 이례적인 현상까지 나타났다. 내년에는 HBM 가격도 큰 폭으로 오를 것으로 전망되면서 반도체 호황이 장기화할 가능성에 무게가 실리고 있다. 8일 반도체업계에 따르면 삼성전자는 이날 3분기 연결기준 매출 195조원, 영업이익 107조4000억원의 잠정 실적을 발표했다. 매출은 전년 동기 대비 126.59%, 영업이익은 782.50% 증가했다. 전분기와 비교해도 각각 13.70%, 20.01% 늘었다. 이날 사업부문별 실적을 발표하지는 않았으나 증권가에서는 반도체 부문에서만 110조원의 영업이익을 달성한 것으로 보고 있다. [사진=삼성전자] ◆D램 이익률 83%·낸드 71%…메모리 초고마진 시대실적 개선을 주도한 것은 메모리 반도체다. 증권가에서는 삼성전자 D램의 3분기 영업이익률이 83%, 낸드는 71%에 달했을 것으로 추정하고 있다. 이 같은 수익성의 배경에는 범용 메모리 가격 급등이 있다. AI 데이터센터 투자가 확대되면서 HBM뿐 아니라 서버용 D램과 기업용 솔리드스테이트드라이브(SSD) 수요가 동반 증가했다. 반면 메모리 업체들이 생산능력을 단기간에 확대하기 어려워지면서 공급 부족이 심화했고, 가격 결정권은 공급업체 쪽으로 기울었다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 범용 D램 계약가격은 올해 1분기 전분기 대비 93~98%, 2분기에도 58~63% 상승할 것으로 전망됐다. 상반기에만 가격 수준이 크게 높아진 데 이어 하반기에도 추가 상승세가 이어지면서 메모리 업체들의 수익성을 끌어올리고 있다. ◆HBM보다 돈 되는 범용 D램…수익성 역전특히 눈에 띄는 변화는 범용 D램과 HBM의 수익성 역전이다. 트렌드포스는 지난 6월 발표한 보고서에서 올해 1분기 서버용 DDR5 64GB RDIMM의 웨이퍼당 매출과 수익성이 HBM을 넘어섰다고 분석했다. HBM은 여러 개의 D램 칩을 수직으로 쌓아 만드는 고부가가치 제품이다. 일반 D램보다 제조공정이 복잡하고 같은 용량을 생산하는 데 더 많은 웨이퍼가 필요하지만, 높은 판매가격을 바탕으로 수익성이 우수한 제품으로 평가받아 왔다. 그러나 지난해 체결한 연간 공급계약이 올해 HBM 가격에 영향을 미치는 동안 범용 D램은 급등한 시황을 상대적으로 빠르게 반영했다. 가격 상승 속도의 차이가 일부 서버용 D램의 수익성을 HBM보다 높이는 결과로 이어진 것이다. 낸드 역시 AI 데이터센터를 중심으로 고수익 제품의 수요가 확대되고 있다. 대규모언어모델(LLM)의 학습뿐 아니라 AI 추론과 실시간 데이터 처리에 필요한 기업용 SSD 구매가 늘면서 가격 상승을 이끌고 있다. 트렌드포스는 올해 기업용 SSD의 비트 수요가 전년 대비 80% 이상 증가할 것으로 예상했다. 4분기 낸드 전체 계약가격은 전분기 대비 15~20%, 기업용 SSD는 23~28% 상승할 것으로 전망했다. 다만 스마트폰과 소비자용 저장장치 수요는 상대적으로 부진해 제품별 가격 상승 폭에는 차이가 나타나고 있다. 삼성전자 HBM4E [사진=삼성전자] ◆내년 HBM 가격 121% 급등 전망…고수익 이어지나범용 메모리의 수익성 상승은 내년 HBM 가격에도 영향을 미칠 전망이다. 생산업체 입장에서는 같은 웨이퍼를 투입했을 때 범용 D램의 수익성이 더 높아진 만큼 HBM을 공급할 때도 그에 상응하는 가격을 확보해야 할 필요성이 커졌기 때문이다. 트렌드포스는 지난달 29일 발표한 보고서에서 내년 HBM 평균판매가격(ASP)이 올해보다 121% 상승할 것으로 내다봤다. 기존 제품의 계약가격 인상뿐 아니라 고가 제품인 HBM4의 공급 비중 확대와 내년 하반기 HBM4E 양산 증가 등을 반영한 전망이다. 이는 동일한 규격의 HBM 가격이 일률적으로 두 배 이상 오른다는 의미는 아니다. 다만 차세대 제품 전환과 공급 부족이 맞물리면서 HBM 시장 전체의 가격 수준이 크게 높아질 수 있다는 분석이다. 실제 메모리 업체들도 내년 HBM 가격 인상을 예고하고 있다. 산제이 메로트라 마이크론 최고경영자(CEO)는 지난달 30일 실적발표 콘퍼런스콜에서 2027년 HBM 공급물량의 상당 부분이 이미 판매계약을 통해 확보됐으며, 계약가격도 2026년보다 훨씬 높다고 밝혔다. 그는 이러한 가격 상승이 HBM과 비HBM 메모리 간 수익성 격차를 줄이는 데 기여할 것이라고 설명했다. 반도체업계 관계자는 "HBM과 범용 D램은 생산능력을 공유하는 만큼 어느 한쪽의 생산을 늘리면 다른 쪽의 공급이 제한될 수밖에 없는 구조"라며 "HBM은 적층 공정과 수율 확보에도 시간이 필요해 단기간에 공급을 확대하기 어렵다"고 설명했다. 이어 "올해는 범용 D램과 낸드의 가격 급등이 수익성을 끌어올렸다면 내년에는 HBM 가격 인상 효과까지 더해질 가능성이 있다"며 "다만 범용 메모리 가격 상승세가 둔화하고 있고 HBM4의 생산원가와 수율도 변수인 만큼 높은 수익성을 얼마나 유지하느냐가 관건"이라고 말했다. syu@newspim.com 2026-10-08 10:46
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히든스테이지 대상에 '심각한 개구리' 수상 [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원하는 제4회 싱어송라이터 경연 대회 '히든스테이지'가 다수의 실력 있는 싱어송라이터를 발굴하며 막을 내렸다. 7일 서울 동대문구에 위치한 KOCCA콘텐츠문화광장 내 스테이지66에서는 제4회 '히든 스테이지'가 개최됐다. 이번 결선에는 김은찬밴드, 박희수, 신직선, 심각한개구리, 오아(OHAH), 윤준, 윤태경, 채수빈, 채비(Che!vee), 혼즈(Hon'z)까지 총 10팀이 이름을 올렸다. [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 유근석 뉴스핌대표가 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 최우수상을 수상한 참가번호 8번 심각한개구리와 기념촬영을 하고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최, 주관하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com 결선 무대에서 참가자 심각한 개구리는 '불을 밝혀라'를 선곡했다. 해당 곡은 비참한 세상 속에서도 서로를 일으켜주며 다시 살아가는 사람들의 노래로, 우리 마음속에 꺼져가는 불을 다시 밝히자는 내용이 담겼다. 무대에 오른 심각한 개구리는 안정적인 중저음을 자랑하며 경쾌한 분위기의 곡을 활기차게 이끌었다. 심사위원을 맡은 배순탁 대중음악평론가는 심각한 개구리의 무대에 대해 "제일 마음에 들었던 점은, 곡 주제의 독창성"이라고 밝혔다. 이어 "대혐오의 시대에 대해 희망을 놓지 말자, 선의가 흐르고 있다는 걸 노래했다는 게 가장 마음에 들었다. 인상 깊게 잘 들었다"고 호평했다. 정민재 심사위원은 "영상 심사 때부터 인상 깊게 들었다. 초반에는 긴장했던 것 같다. 후반으로 갈수록 잘 풀려서 자신만의 페이스로 잘 꾸민 것 같다. 음악적으로 매력적이라고 느꼈고, 본인의 메시지와 소리를 잘 가지고 있는 싱어송라이터라고 생각한다"고 덧붙였다. 예선부터 본선, 그리고 결선 무대까지 모두 끝낸 후 만난 심각한 개구리는 후련한 표정을 지으며 대상 소감을 전했다. [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 참가번호 8번 심각한개구리가 경연을 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com "일단 오디션이 끝나서 너무 후련합니다. 예선과 본선, 결선까지 세 차례나 진행이 됐기 때문에 긴장감이 유지되는 경연대회였어요. 일단 후련하다는 마음이 가장 크고, 대상을 받아서 너무 행복해요. 하하." 심각한 개구리는 결선 무대에서 다소 긴장한 모습을 보였지만, 심사위원의 호평을 받으며 대상과 상금 500만원을 품에 안았다. "수상은 사실 어느 정도 예상은 했어요(웃음). 심사위원들께서 너무 좋은 평가를 해주셨거든요. 그래서 기대를 해봐도 되겠다 싶더라고요. 또 이번 노래가 '히든 스테이지'의 취지에 맞는 음악이라고 생각했어요. 평소에는 마냥 긍정적인 음악을 만들었는데, 이 노래는 세상에 대한 불만을 포함한 노래였거든요. 그래서 이 곡으로 결선에 나가면 결과가 좋지 않을까 생각했는데, 대상을 받아서 너무 행복해요." 활동명 '심각한 개구리'에는 '심각한'이라는 말이 붙지만, '고민 끝에 행복을 노래하는 싱어송라이터'라는 의미가 있다. 그동안 행복하고 긍정적인 노래만 해온 심각한 개구리는 처음으로 세상에 대한 불만을 노래했다. "사실 밝은 음악만 했던 이유가, 부정적인 이야기를 하면 결과가 좋지 않을 거라는 생각 때문이었어요. 그런데 이번에 '불을 밝혀라'로 결선 무대에 나왔고, 심사위원들의 평가를 들으니까 속 깊은 어려운 이야기에도 진심을 담았을 때 결과가 좋을 수 있다는 걸 깨달았습니다. 앞으로 이런 어렵고 어두운 이야기도 용기 있게 펼칠 수 있을 것 같습니다." [서울=뉴스핌] 김현우 기자 = 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지(HIDDEN STAGE)'에서 결선에서 참가번호 8번 심각한개구리가 경연을 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 khwphoto@newspim.com 심각한 개구리는 싱어송라이터로 활동한지 10년이 됐다. 올해로 10년차에 접어든 그는, 이번 수상의 기쁨을 가족에게 돌리고 싶다며 환한 웃음을 지었다. "어머니는 가수로 활동을 하셨고, 아버지는 시인이세요. 그동안 오디션에 나가서 1등을 못했었거든요. 올해 목표가 1등이었는데, 이번 수상 소식을 부모님에게 먼저 전하고 싶어요. 저도 언론매체 뉴스핌에서 진행한 오디션에서 1등을 했다고 당당하게 전하고 싶어요. 부모님이 그동안 제 곡을 듣고 나서 부족한 점을 말해주셨는데, '불을 밝혀라'를 듣고 나서는 저만의 개성이 생긴 것 같다는 말을 해주셨거든요. 그래서 더 확신을 갖고 결선 곡으로 정했는데, 결과까지 완벽한 것 같아요." 제4회 '히든 스테이지' 대상이 주인공이 된 심각한 개구리는 앞으로의 음악 활동 계획에 대해 "상금을 단독 공연을 하는데 쓰고 싶다"고 밝혔다. [서울=뉴스핌] 김규빈 기자 = 참가자 심각한 개구리가 7일 오후 서울 동대문구 KOCCA콘텐츠문화광장 스테이지66에서 열린 제4회 뉴스핌 싱어송라이터 경연대회 '히든스테이지' 결선에서 무대를 펼치고 있다. '히든스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최·주관하고, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. 2026.10.07 "결선 때 부른 '불을 밝혀라'가 포함된 미니앨범이 10월 14일에 나와요. 앨범명이 '추락한 개구리'인데, 꿈과 희망을 갖고 세상을 비행했던 개구리가 세상의 풍파를 맞고 추락한 내용을 담았어요. 세상의 아픔과 외로움을 노래하려고 해요. 기존에 들었던 음악과 달리 진지하고 조용하고, 어쩌면 심각한 앨범인데 많이 들어주셨으면 좋겠어요. 그리고 이번에 받은 상금으로 단독 공연을 해보려고 해요. 공연을 할지 말지 고민했는데, 이렇게 된 거, 한 번 추진해 보겠습니다!" 제4회 '히든 스테이지' 심사는 배순탁, 김도헌, 정민재 대중음악평론가가 맡았다. 심사는 음악적 완성도와 가사 표현력 및 메시지, 가창력과 무대 표현력을 중점으로 진행됐다. 그 결과, 문화체육관광부 장관상인 대상(500만원)은 심각한 개구리가 수상했다. 이어 한국콘텐츠진흥원장상 최우수상(300만원)은 윤태경, 우수상(200만원)은 김은찬 밴드, 루키상(200만원)은 신직선에게 돌아갔다. alice09@newspim.com 2026-10-07 17:15
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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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