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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 인공지능과 엔트로피

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김정호 교수.

엔트로피의 정의와 인공지능의 요구

'엔트로피'라는 단어는 1865년 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스가 처음으로 사용했다. 엔트로피라는 단어는 에너지라는 뜻의 그리스 어원에서 출발했다. 엔트로피는 일반적으로 무질서도라고 알려져 있기도 하며, 미시적 상태의 무질서한 정도를 표현한다.

그런데 열역학 제2법칙에서는 항상 전체 계(System)의 엔트로피가 증가하는 방향으로 사건이 일어난다고 한다. 이 법칙에 따르면 시스템은 엔트로피가 증가하는 쪽으로, 즉 무질서해지는 쪽으로 변하려 한다고 한다. 그래서 전 우주에서 부분으로 뭉쳐있는 에너지가 전체에 걸쳐 평평하게 흩어져가는 과정이 엔트로피의 증가과정이라고 본다. 즉, 엔트로피의 증가는 평형 상태로의 이동이며 에너지적으로 볼 때는 안정화되는 방향이다.

그런데 반대로 인공지능에서는 엔트로피가 감소하는 방향으로 학습을 최적화하기도 한다. 물리 법칙과 인공지능이 반대인 경우이다.

한편, 전자공학의 한 학문 분야인 ‘정보 공학’ 분야에서도 엔트로피 개념이 사용된다. 특히 인공지능과 관련해 정보 이론을 이용해서 인공지능 네트워크를 최적화하고, 그 이론을 뒷받침하려는 연구가 있다. 이러한 새로운 시도는 정보 이론 수학과 인공지능의 만남이다. 엔트로피로 대표되는 정보공학 이론이 인공지능 발전에 어떠한 기여를 할지 미래가 궁금하다.

정보 이론에서 정보의 양을 지수 I로 표현한다. 어떤 일이 일어날 확률을 P(x)라고 할 때, 그것이 갖는 정보량은 I=-Log2(P(x))로 표현된다. 정보를 확률의 로그 함수로 표현한다. 예를 들어 확률이 50%인 P(x)=1/2=0.5라고 하면 정보량 I=-Log2(1/2)=1이 되어 I=1이 된다. 그 뜻은 그 정보를 1비트의 2진수로 표현할 수 있다는 뜻이 된다.

통신이론 내용인 정보이론에서 정의된 엔트로피 수식. [출처=KAIST]

이러한 정의와 수식에 따라 확률이 낮을수록 정보량이 커진다. 거꾸로 확률이 높으면 정보량이 적어진다. 이 같은 확률에는 학교 성적 분포를 예로 들 수 있다. 학교 성적이 넓게 골고루 퍼져 있으면 정보량(I)이 많다. 점수가 골고루 분포돼야 학생의 능력을 구별하기 쉽고, 성적 주기도 편하다.

반면에 높은 성적과 낮은 그룹이 확 구별되면 성적이 특정 점수대에 몰려 있게 된다. 이때 정보량이 낮다. 학점은 2개 종류밖에 없게 된다.

여기에 더 나아가 정보 이론에서는 엔트로피(Entropy)가 정의된다. 엔트로피는 정보량과 확률 곱의 결과물이다. 정보량과 마찬가지로 넓게 골고루 분포하면 엔트로피가 높고, 특정 지점에 확률이 몰려있으면 엔트로피가 낮다.

예를 들어 주사위의 경우, 모두 6개의 면이 나올 확률이 1/6이다. 그래서 확률이 넓게 퍼져있다. 이 경우 엔트로피가 높다. 반면 윷놀이는 도(4/16), 개(6/16), 걸(4/16), 윷(1/16), 모(1/16)가 나올 확률이 각각 다르다. 분포가 균등하지 않다. 결국 윷놀이의 엔트로피가 낮다. 각각 확률의 차이가 크기 때문이다.

이러한 개념의 엔트로피가 인공지능에도 그대로 사용된다. 인공지능에서는 결과가 잘 구별되도록 엔트로피를 낮게 최적화한다. 인공지능에서는 주사위보다는 윷놀이를 원한다.

인공지능에서 출력 결과 값이 분명할수록 좋다. 그래야 인공지능이 미래를 명확하게 판단할 수 있고 미래를 예측한다. 알파고가 게임을 할 때도 인공지능이 이길 승률이 가장 높은 수를 명확히 알려 주어야 한다. 그래서 인공지능의 출력의 확률 분포는 엔트로피가 낮을수록 좋다고 볼 수 있다. 인공지능은 엔트로피 작은 방향을 선호한다.

인공지능에서 사용되는 엔트로피 비용함수

인공지능인 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network, DNN)는 대표적으로 두 종류로 나누어진다. 이미 정답을 알고 있고, 그 정답을 이용해서 인공지능을 교육하는 지도학습 (Supervised Learning)과 정답 없이 인공지능 스스로 학습하는 비지도 학습(Unsupervised Learning)으로 나누어진다.

지도 학습의 경우, 입력 데이터를 넣고, 인공지능 예측 결과를 얻는다. 예를 들어 사진을 입력으로 넣고, 고양이인지 호랑이인지 판독한다. 이때 주어진 정답과 인공지능 출력이 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 이때 정답과 인공지능 출력, 두 개의 차이를 함수로 정의하는 데 이를 수학적으로 비용함수(Cost Function)라고 한다.

이 비용함수를 최소화하기 위해서 인공지능 네트워크 변수들을 정해간다. 이를 학습(Training)이라고 부른다. 비용 함수의 선택에 따라 학습의 속도, 정확성에 차이가 난다.

가장 이해하기 쉽고 많이 쓰이는 비용함수가 제곱 오차 함수(Mean Square Error, MSE)이다. 즉, 정답과 인공지능 결과의 차이를 제곱해서 모두 더하는 것이다. 그래서 두 차이가 클수록 비용함수 값이 커진다. 최종 학습 결과로 비용함수가 ‘0’이 되면 제일 좋다. 그때 이 비용 함수의 미분도 ‘0’이 된다. 이처럼 비용함수가 최소화할 때까지 학습을 계속해 간다.

인공지능 최적화에 사용되는 MSE 비용함수 수식. [출처=KAIST]

그런데 또 다른 매우 용한 비용함수가 정보 이론에서 제시하는 엔트로피 함수이다. 엔트로피 함수를 사용하면 학습이 좀 더 빠르다. 다른 말로 혼란을 최소화하고, 분명한 결과를 내려면 엔트로피 값이 최소화된다.

이처럼 엔트로피 개념과 함수가 인공지능에서 유용하게 사용된다.

인공지능 최적화에 사용되는 크로스 엔트로피(Cross-Entropy) 수식. [출처=KAIST]

우리가 사는 세상의 엔트로피

인간 사회도 정보이론의 엔트로피로 표현할 수 있다. 다이내믹 코리아(Dynamic Korea)로 표현되는 우리 사회는 엔트로피가 높다고 할 수 있다. 에너지가 넘치고, 그 결과, 시간이 지나면 사회가 평형을 이룬다.

이렇게 엔트로피가 증가하는 방향은 사회 전체가 평등하다고 볼 수 있다. 사회의 자본, 정보 그리고 기회가 이렇게 골고루 퍼지면 좋다. 또한 누구나 열심히 일하면 계층이동을 할 수 있다. 이런 사회가 엔트로피가 높다.

반면에 사회의 자본, 정보 그리고 기회를 소수가 독점된 사회는 엔트로피가 낮다. 빈부격차가 큰 사회는 엔트로피가 낮다. 좌우 갈등이 높으면 엔트로피가 낮다.

인공지능은 빠르고 냉철한 지능을 가지려고 엔트로피가 낮은 방향으로 학습한다. 그렇게 보면 인공지능은 효율적이지만 냉정한 지능이다. 따뜻한 가슴이 없다.

 

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

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7월까지 계란 2112만개 수입 [세종=뉴스핌] 김기랑 기자 = 계란 가격 상승세가 이어지는 가운데 정부가 미국산·태국산 신선란 2112만개를 추가 공급하는 등 수급 안정 대책을 확대한다. 또 계란 가공품 할당관세 물량을 두 배로 늘리고 적용 기간도 연말까지 연장할 예정이다. 농림축산식품부는 계란 생산 감소에 따른 가격 상승으로 소비자 부담이 커지고 있는 상황을 고려해 신선란 공급을 확대한다고 19일 밝혔다. 농식품부는 7월까지 미국산과 태국산 신선란 약 2112만개를 시장에 공급할 계획이다. 매주 448만개 이상을 순차적으로 도입해 이마트와 롯데마트 등 대형 유통업체에 우선 공급하고, 중소 유통업체를 통해 동네 빵집과 슈퍼마켓 등에도 공급할 예정이다. 9일 서울시내 한 대형마트를 찾은 소비자가 계란을 고르고 있다. [사진=뉴스핌DB] 우선 이번 주말부터 미국산 신선란 112만개를 이마트와 롯데마트에서 순차적으로 판매한다. 정부는 계란 가공품 수입 확대를 위해 할당관세 적용 기간을 기존 6월에서 12월까지로 연장하고, 적용 물량도 4000톤(t)에서 8000t으로 늘릴 방침이다. 농식품부는 지난해 겨울 발생한 고병원성 조류인플루엔자(HPAI)로 인한 산란계 살처분과 사육밀도 개선 등의 영향으로 계란 생산량이 감소하면서 가격 상승세가 이어지고 있다고 설명했다. 실제 계란 산지가격은 6월 중순 기준 특란 30구당 6263원으로 평년보다 24.1%, 지난해보다 8.5% 각각 높다. 소비자가격도 7506원으로 평년 대비 9.3%, 전년 대비 7.1% 각각 상승한 상태다. 다만 수급 여건은 점차 개선될 것으로 전망된다. 6월 산란계 사육 마릿수는 7879만수로 평년보다 4.6%, 지난해보다 0.4% 각각 증가했다. 1~5월 병아리 입식도 전년보다 12.8% 늘어 7월 일일 계란 생산량은 4900만개 수준까지 회복될 것으로 예상된다. 농식품부는 생산 회복 효과가 실제 시장 공급과 가격 안정으로 이어지기까지 시간이 필요한 만큼 할인 지원 사업 확대와 농협 납품단가 인하를 병행하고, 여름철 폭염에 따른 수급 불안에 대비해 신선란 수입 물량 추가 확대도 검토하고 있다. 이재식 농식품부 축산정책관은 "국내 산란계 마릿수는 꾸준히 증가하고 있으며 계란 생산도 점차 회복되고 있다"며 "국내 생산 기반 확충과 농가 경영 안정을 지원하는 한편, 소비자 물가 안정을 위해 수급 상황을 면밀히 점검하고 필요한 조치를 신속히 추진하겠다"고 강조했다. rang@newspim.com  2026-06-19 11:00
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'군기누설' 김용현 1심 징역 3년 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 12·3 비상계엄 당시 노상원 전 국군정보사령관에게 정보사 명단을 전달한 혐의로 기소된 김용현 전 국방부 장관이 1심에서 징역 3년을 선고받았다. 서울중앙지법 형사합의21부(재판장 조순표)는 19일 김 전 장관의 군형법상 군기누설 및 개인정보보호법 위반 혐의 사건의 1심 선고기일을 열었다. 서울중앙지법 형사합의21부(재판장 조순표)는 19일 12·3 비상계엄 당시 노상원 전 국군정보사령관에게 정보사 명단을 전달한 혐의로 기소된 김용현 전 국방부 장관의 1심에서 징역 3년을 선고했다. 사진은 김 전 장관. [사진=뉴스핌 DB] 재판부는 양형이유에 대해 "피고인은 국방부 장관으로서 군사기밀과 군인의 개인정보를 보호할 책임이 있는 위치에 있었고, 누구보다 군사기밀과 특수임무 수행 인력의 신상정보 보호 필요성을 잘 알고 있었다"며 "그럼에도 민간인인 노상원이 관련 인적사항에 접근할 수 있도록 하는 데 결정적인 역할을 했다"고 지적했다. 그러면서 "이 사건 군기누설 범행에 대해 피고인에게 가장 엄중한 책임을 묻지 않을 수 없다"며 "나아가 아무런 실체적 요건을 갖추지 못한 계엄이 선포 단계에 이르는 동력 중 하나가 됐고, 단순한 군기누설이나 개인정보보호법 위반을 넘어 위헌·위법한 계엄 선포라는 중대한 결과를 초래했다"고 판시했다.  pmk1459@newspim.com 2026-06-19 15:00
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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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