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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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정동영 업무보고 논란 [서울=뉴스핌] 유신모 외교전문기자 = 청와대 영빈관에서 5일 열린 외교·안보 분야 정부 부처의 대통령 업무보고에서 정동영 통일부 장관의 '한반도 평화공존 발전 구상'과 업무보고 발언이 논란을 빚고 있다. 이날 정 장관의 발언 중에는 정부 내 조율을 거치지 않은 사안을 정책으로 추진하겠다고 공언한 것이 있는가 하면 사실 관계에 맞지 않은 설명도 있었다. 이재명 대통령은 공개적으로 신중을 기해 달라고 경고했고, 조현 외교부 장관은 '이상주의적 희망에 근거한 비현실적 구상'이라는 비판을 내놨다. 그동안 정 장관의 대북 정책 관련 발언이 물의를 빚은 적은 여러 번 있지만 대통령과 유관 부처 장관이 공개적으로 부정적 입장을 표명한 것은 이례적이다. 정 장관의 무리한 대북 접근법과 월권을 제어해야 한다는 목소리도 높아지고 있다. [정동영 통일부 장관이 지난달 23일 오후 서울 종로구 정부서울청사에서 취임 1주년 기자간담회를 하고 있다. [사진=통일부] 2026.07.23 ◆통일부 장관 권한 넘어선 주장 정 장관은 이날 업무보고에서 '한반도 평화공존 발전 구상'을 설명하면서 이재명 정부 2년차 핵심 과제로 상호 존중·평화적 갈등 해결·핵 없는 한반도 등 3대 기본 방향을 제시했다. 정 장관은 "대결과 혐오의 언어는 멈춰야 한다"면서 주적 용어 대체를 주장했다. 지난 25년간의 CVID(완전하고 검증가능하며 되돌릴 수 없는 비핵화) 구도는 이미 무너졌다고도 했다. 또 "현 시점에서 흘러간 선(先)비핵화만 되뇌는 것은 현실을 바꾸는 데 힘이 되지 않는다"고 주장했다. 정 장관은 또 "정전 체제를 평화 체제로 바꾸는 논의에 착수하겠다"면서 "북·미 정상회담 견인과 함께 4자 대화의 동력을 확보하기 위해 최선을 다할 것"이라고 말했다. 하지만 이 대통령은 정 장관의 구상에 대부분 제동을 걸었다. 이 대통령은 "평화공존 정책이 정치적으로 악용되는 측면이 있다"며 "많이 조심하셔야 한다"고 지적했다. 북한을 다른 이름으로 불러야 한다는 주장에는 "표현에 꼬투리가 잡혀 정쟁으로 휘몰아 들어가면 원래 하고자 했던 데에서 오히려 나쁜 상황이 초래될 수 있다"고 경고했다. 이 대통령은 남북 신뢰 구축을 위해 9·19 군사합의를 선제적으로 복원해야 한다는 정 장관의 주장에 대해서도 "우리의 선의대로 하는 게 과연 한반도의 평화와 안정에 플러스냐, 결론적으로 약간의 의문이 들 때도 있다"며 부정적으로 반응했다. 조현 외교부 장관은 업무보고 사후 브리핑에서 정 장관이 언급한 '4자 회담'에 대해 "이상주의에 근거한 어떤 희망이라 하더라도 그건 아직 조율되지 않은 방법"이라며 "여러분들께서 디스카운트해 주시면 좋겠다"고 선을 그었다. 정 장관이 9월 러시아 블라디보스토크에서 열리는 '동방경제포럼(EEF)'을 언급하며 "정부 차원에서 (참석을) 검토하고 있다"고 발언한 데 대해서도 조 장관은 "그것은 외교부의 몫"이라며 "아직 거기까지 진도가 나가지 않았다"고 잘랐다. 정 장관이 이날 소개한 대북 구상과 설명은 정부 내 조율을 거치지 않았다는 점에서 문제가 있다. 특히 주적 표현 대체와 국호 사용, 9·19 군사합의 복원, 4자회담 추진 등은 통일부 장관이 결정할 사안이 아니어서 월권이라는 지적이 나오고 있다. 이 대통령은 정 장관의 업무보고를 듣고 난 뒤 "여기 업무보고에 발표했다고 승인난 건 아니다"라고 재차 확인했다. 정부의 한 소식통은 "정 장관의 발언 내용은 대부분 국가안전보장회의(NSC)를 거쳐 결정된 사안이 아닌 정 장관의 개인적 생각에 가깝다"며 "안보 관련 부처 장관이 정부의 공식 정책이 아닌 사안을 추진하겠다고 업무보고를 하고 대통령의 면전에서 '국군통수권자가 나서야 한다'고 주장한 것은 심각한 문제"라고 지적했다. 이재명 대통령이 5일 청와대 영빈관에서 열린 통일 외교 국방 등 외교 안보 부처 업무보고에서 발언하고 있다. [사진=청와대] 2026.08.05 ◆시대착오적 접근, 대북 인식 오류 더욱 문제인 것은 정 장관의 이같은 주장이 현 시점에서 이미 참고가 될 수 없는 과거의 경험 또는 사실과 다른 인식에 기반하고 있다는 것이다. 정 장관이 주장하는 구상은 급격히 변화하고 있는 북한의 전략과 한반도 및 국제 정세를 전혀 반영하지 못하고 있다는 비판이 제기되고 있다. 정 장관이 "흘러간 선(先)비핵화만 되뇌는 것은 현실을 바꾸지 못한다"고 언급한 것은 지금까지의 대북 접근법을 호도하고 있다. 북핵 위기 발발 이후 지금까지 모든 핵 협상에서 한국이나 미국은 북한에 선비핵화를 공식적으로 요구한 적이 없기 때문이다. 지금까지의 북핵 협상은 북한의 비핵화 조치에 한·미가 상응하는 대가를 제공하는 방식으로 이뤄졌다. 1994년 북·미 제네바 기본합의는 핵시설 동결과 중유 제공의 교환이었다. 2005년 9.19 공동성명도 북한의 비핵화 조치의 모든 단계에 상응조치를 제공하는 '행동 대 행동' 원칙이 적용됐다. 대북 협상에 관여했던 한 전직 관료는 "모든 북핵 협상은 북한의 비핵화 조치와 한·미가 제공하는 상응조치를 어떻게 정교하게 배열하느냐가 관건이었다"면서 "정 장관의 발언은 지금까지 한·미가 북한에 먼저 핵을 포기해야 대화할 수 있다는 정책을 고수해 현 상황에 이르게 됐다는 잘못된 인식에서 비롯된 것으로 보인다"고 말했다. 정 장관이 "지난 25년간의 CVID 구도가 무너졌다"고 말한 것도 비핵화의 개념에 대한 이해 부족이라는 비판이 제기되고 있다. 북핵 문제에 정통한 외교 소식통은 "어떤 명칭을 붙이든 핵을 제거한 뒤 이를 검증하고 재발 방지 조치를 하는 것은 비핵화에 반드시 포함되어야 하는 기본적 절차"라며 "CVID는 안 된다고 말하는 것은 북한의 비핵화 조치를 검증도 하지 않고 언제든 되돌릴 수 있도록 합의하자는 말과 같다"고 지적했다. [서울=뉴스핌] 이길동 기자 = 조현 외교부 장관이 5일 오후 서울 종로구 정부서울청사 별관에서 2026년 하반기 업무보고 사후브리핑을 하고 있다. 2026.08.05 gdlee@newspim.com ◆안보 리스크 키우는 통일부 장관 정 장관은 지난해 취임 직후부터 청와대와 외교부를 제치고 통일부가 북한과 관련된 모든 정책을 주도해야 한다는 주장을 펴면서 단독 질주를 거듭해왔다. 북한의 '적대적 두 국가' 주장을 변형한 '평화적 두 국가'를 지향해야 한다고 주장하면서 이에 문제점을 지적하는 목소리를 무시했다. 외교부가 미국과 북한 문제를 논의하는 것에 대해 "한반도 정책과 남북관계는 주권의 영역이며 동맹국과 협의의 주체는 통일부"라고 주장해 물의를 빚었다. 문재인 정부 시절 한·미 워킹그룹이 남북관계 파탄 원인이었다고 사실과 다른 주장을 폈다. 지난해 업무보고에서는 국제정세를 감안하지 않고 남북대화 재개에만 초점을 맞춘 비현실적 내용으로 논란을 빚었다. 정부 내 조율도 거치지 않고 독자 대북제재인 5·24 조치를 해제하고 9·19 군사합의 비행금지구역 복원을 추진하겠다는 방침도 밝혔다. 지난 4월에는 평안북도 구성시에 우라늄 농축 시설이 있다고 말해 파장을 일으켰다. 미국은 이 발언을 계기로 한국과 대북정보 공유를 제한했다. 이 조치는 지금도 계속되고 있는 것으로 알려졌다. 정 장관이 이처럼 정부의 공식 결정을 거치지 않은 사안을 정부 정책인 것처럼 주장하며 좌충우돌하는 배경에 대해 여러가지 해석이 나온다. 북한 문제에서 조기에 성과를 거둬야 한다는 조급증과 자신의 존재감 과시 욕구가 작용하고 있다는 평가가 많다. 일각에서는 정 장관이 2007년 민주당 대선후보였을 때 이재명 대통령이 캠프에서 비서실 부실장으로 활동한 전력이 있다는 것을 들어 "정 장관이 아직도 이 대통령을 아랫사람으로 생각하고 있는 것 아니냐"는 비판을 내놓기도 한다. 한·미 관계와 북한 문제를 오래 다뤘던 전직 관료 출신의 한 전문가는 "정 장관 취임 후 지금까지의 언행은 잘못된 현실 인식에 따른 독단과 앞서 가기, 월권 등으로 점철돼 있다"면서 "통일부 장관이라는 중요한 직책에 있으면서 스스로 안보 리스크를 키우는 역할만 했다"고 비판했다. opento@newspim.com 2026-08-06 06:10
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6월 경상수지 최대 흑자 [서울=뉴스핌] 박가연 기자 = 지난 6월 우리나라의 경상수지가 전월에 이어 역대 최대 흑자를 기록했다. 반도체를 중심으로 한 정보기술(IT) 품목 수출 호조로 월간 상품수출이 처음으로 1000억달러를 넘어선 영향이다. [자료=한국은행] 한국은행이 6일 발표한 '2026년 6월 국제수지(잠정)'에 따르면 지난 6월 경상수지는 497억3000만달러 흑자로 집계됐다. 전월(386억1000만달러)에 이어 두 달 연속 월간 기준 역대 최대 기록을 갈아치웠다. 이에 따라 올해 상반기 누적 경상수지 흑자는 1910억1000만달러를 기록했다. 경상수지 흑자를 견인한 것은 상품수지다. 6월 상품수지는 478억9000만달러 흑자를 기록하며 전월에 이어 역대 최대를 다시 썼다. 국제수지 기준 상품수출은 1123억7000만달러로 전년 동월 대비 84.5% 증가하며 월간 기준 처음으로 1000억달러를 넘어섰다. 상품수입은 644억8000만달러로 38.6% 늘었다. 통관 기준으로는 반도체 수출이 전년 동월 대비 196.9% 급증했고 컴퓨터·주변기기(SSD)는 282.7% 증가했다. IT 품목 수출은 160.4% 늘었으며 비IT 품목도 ▲석유제품(47.5%) ▲화공품(18.6%) ▲철강제품(17.9%) ▲승용차(6.1%) 등을 중심으로 18.6% 증가했다. 통관 기준 수입은 ▲원자재(30.5%) ▲자본재(35.3%) ▲소비재(16.4%)가 모두 늘었다. 서비스수지는 12억9000만달러 적자를 기록해 전월(-10억9000만달러)보다 적자 폭이 확대됐다. 여행수지는 외국인 입국자 증가와 유류할증료 인상 등에 따른 출국자 감소로 4억4000만달러 흑자를 기록했지만 지식재산권사용료수지는 전월 흑자에서 4억4000만달러 적자로 전환됐다. 본원소득수지는 배당소득을 중심으로 32억7000만달러 흑자를 기록해 전월(21억7000만달러)보다 흑자 폭이 확대됐다. 배당소득수지는 배당수입이 늘어난 데다 전월 분기배당에 따른 기저효과로 배당지급이 줄면서 25억6000만달러 흑자를 나타냈다. 금융계정 순자산은 6월 중 467억1000만달러 증가해 월간 기준 역대 최대 증가 폭을 기록했다. 종전 최대였던 올해 3월(369억9000만달러)을 넘어선 것이다. 직접투자에서는 내국인의 해외투자가 80억1000만달러, 외국인의 국내투자가 46억3000만달러 각각 증가했다. 증권투자에서는 외국인의 국내 주식 매도세가 이어졌다. 외국인의 국내 주식 투자는 차익실현 매도 등의 영향으로 316억1000만달러 감소하며 전월(-310억5000만달러)에 이어 역대 최대 순매도 기록을 다시 경신했다. 외국인의 국내 채권투자는 세계국채지수(WGBI) 자금 유입에도 분기 말 만기도래 영향으로 증가 폭이 줄어든 52억9000만달러를 기록했다. 내국인의 해외 증권투자는 주식을 중심으로 35억6000만달러 증가했다. eoyn2@newspim.com 2026-08-06 08:00
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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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