10. 특이점이 온다

우리 눈 앞에서 펼쳐지는 인공지능 혁명

인간의 뇌를 시뮬레이션 하고 또 강한 인공지능을 만들어내는 기술은 오늘날 어느 정도 발전했으며, 그 결실은 언제쯤 우리 곁에 다가올까? 수확가속법칙을 적용해 기술발전속도를 예측해보면 생각보다 그리 먼 미래의 일이 아니다.

Key Point

  • 어떤 기술이 정보기술 형태로 전환되는 순간, 가격/시간/자원 대비 성능/용량은 기하급수적인 궤도를 따라 발전한다. 이것이 바로 수확가속법칙이다.
  • 많은 사람들이 기하급수적인 흐름을 낯설어 하는 것은 우리 인간의 뇌는 선형적으로 사고에만 익숙하기 때문이다.
  • 뇌과학의 중요한 수단이 되는 뇌스캐닝 기술의 해상도 역시 기하급수적인 궤도를 따라 발전하고 있다. 이러한 기술을 바탕으로 뇌에 대한 이해는 더욱 높아질 것이며 인공지능의 발전속도도 더 빨라질 것이다.

주석

1. 인간크기의 게놈을 축적하는 데 드는 비용
“DNA Sequencing Costs,” National Human Genome Research Institute, NIH.
2. 매년 전 세계에 축적되는 유전자 테이터의 양
“Genetic Sequence Data Bank, Distribution Release Notes,” December 15, 2009, National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine.
3. 전세계 인터넷에 사용되는 국가간 대역폭
TeleGeography © PriMetrica, Inc., 201
4. 게놈프로젝트의 유전자 데이터 양과 염기쌍 구축비용

“DNA Sequencing— The History of DNA Sequencing,” January 2, 2012.

5. 인터넷 백본의 최고 대역폭

Dave Kristula, “The History of the Internet” (March 1997, update August 2001); Robert Zakon, “Hobbes’ Internet Timeline v8.0”; Jim Duffy, “AT& T Plans Backbone Upgrade to 40G,” Computerworld, June 7, 2006; “40G: The Fastest Connection You Can Get?” InternetNews.com, November 2, 2007; “Verizon First Global Service Provider to Deploy 100G on U.S. Long-Haul Network,” news release, Verizon.

6. 컴퓨팅 기기의 1000달러(고정가치) 당 초당 계산능력
년도1,000달러당
초당 계산능력
기계자연대수
(calcs/sec/$k)
19005.82E-06Analytical Engine-12.05404
19081.30E-04Hollerith Tabulator-8.948746
19115.79E-05Monroe Calculator-9.757311
19191.06E-03IBM Tabulator-6.84572
19286.99E-04National Ellis 3000-7.265431
19398.55E-03Zuse 2-4.762175
19401.43E-02Bell Calculator Model 1-4.246797
19435.31E+00Colossus1.6692151
19467.98E-01ENIAC-0.225521
19483.70E-01IBM SSEC-0.994793
19491.84E+00BINAC0.6081338
19511.43E+00Univac 10.0430595
19536.10E+00Univac 11031.8089443
19531.19E+01IBM 7012.4748563
19543.67E-01EDVAC-1.002666
19551.65E+01Whirlwind2.8003255
19553.44E+00 IBM 7041.2348899
19583.26E-01Datamatic 1000-1.121779
19589.14E-01Univac Ⅱ-0.089487
19601.51E+00IBM 16200.4147552
19601.52E+02DEC PDP-15.0205856
19612.83E+02DEC PDP-45.6436786
19622.94E+02Univac Ⅲ3.3820146
19641.59E+02CDC 66005.0663853
19654.83E+02IBM 11306.1791882
19664.97E+01IBM 360 Model 753.9064073
19682.14E+02DEC PDP-105.3641051
19737.29E+02Intellec-86.5911249
19733.40E+03Data General Nova8.1318248
19751.06E+04Altair 88009.2667207
19767.77E+02DEC PDP-Ⅱ Model 7807.0157124
19773.72E+03Cray 18.2214789
19772.69E+04Apple Ⅱ10.198766
19791.11E+03DEC VAX 11 Model 7807.0157124
19805.62E+03Sun-18.6342649
19821.27E+05IBM PC11.748788
19821.27E+05Compaq Portable11.748788
19838.63E+04 IBM AT-8028611.365353
19848.50E+04Apple Macintosh11.350759
19865.38E+05Compaq Deskpro 38613.195986
19872.33E+05Apple Mac Ⅱ12.357076
19933.55E+06Pentium PC15.082176
19964.81E+07Pentium PC17.688377
19981.33E+08Pentium Ⅱ PC18.708113
19997.03E+08Pentium Ⅲ PC20.370867
20001.09E+08IBM ASCI White18.506858
20003.40E+08Power Macintosh G4/50019.644456
20032.07E+09Power Macintosh G5 2.021.450814
20043.49E+09Dell Dimension 840021.973168
20056.36E+09Power Mac G5 Quad22.573294
20083.50E+10Dell XPS 63024.278614
20082.07E+10Mac Pro23.7534
20091.63E+10Intel Core i7 Desktop23.514431
20105.32E+10Intel Core i7 Desktop24.697324
7. 쿠퍼의 법칙

“Cooper’s Law,” ArrayComm.

8. 인터넷에서 초당 전송되는 비트 수는 15개월마다 두 배로 뛴다.

“The Zettabyte Era,” Cisco.

9. 다양한 슈퍼컴퓨터의 초당 부동소수점 연산능력
Top 500 Supercomputer Sites
10. 다양한 인텔 프로세서 칩 하나에 들어가는 트랜지스터 수
“Microprocessor Quick Reference Guide,” Intel Research.
11. 페이스북 일일 사용자

Facebook, “Stats”

12. 트랜지스터 하나의 평균가격
년도$Log ($)
19681.000000000
19690.85000000−0.16252
19700.60000000−0.51083
19710.30000000−1.20397
19720.15000000−1.89712
19730.10000000−2.30259
19740.07000000−2.65926
19750.0280000 −3.57555
19760.01500000−4.19971
19770.00800000−4.82831
19780.00500000−5.29832
19790.00200000−6.21461
19800.00130000−6.64539
19810.00082000−7.10621
19820.00040000−7.82405
19830.00032000−8.04719
19840.00032000−8.04719
19850.00015000−8.80488
19860.00009000−9.31570
19870.00008100−9.42106
19880.00006000−9.72117
19890.00003500−10.2602
19900.00002000−10.8198
19910.00001700−10.9823
19920.00001000−11.5129
19930.00000900−11.6183
19940.00000800−11.7361
19950.00000700−11.8696
19960.00000500−12.2061
19970.0000030−12.7169
19980.00000140−13.4790
19990.00000095−13.8668
20000.00000080−14.0387
20010.00000035 −14.8653
20020.00000026−15.1626
20030.00000017 −15.5875
20040.00000012−15.9358
20050.000000081−16.3288
20060.000000063−16.5801
20070.000000024 −17.5452
20080.000000016−17.9507
13. RAM 칩이 1달러당 처리할 수 있는 비트
컴퓨터가격을 일정한 가치와 비교하기 위해 연방준비위원회의 CPI데이터를 바탕으로 달러가치를 2000년도 가치로 환산했다. https://minneapolisfed.org/ 우측하단의 “What is a dollar worth?” 예컨대, 1960년의 100만 달러는 2000년의 580만 달러와 같고, 2004년의 100만 달러는 2000년의 91만 달러와 같다.
1949http://www.cl.cam.ac.uk/UoCCL/misc/EDSAC99/statistics.html , http://www.davros.org/misc/chronology.html
1951Richard E. Matick, Computer Storage Systems and Technology (New York: John Wiley & Sons, 1977); http://inventors.about.com/library/weekly/aa062398.htm
1955Matick, Computer Storage Systems and Technology; OECD, 1968, http://members.iinet.net.au/~dgreen/timeline.html
1960ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/alt.sys.pdp8/PDP-8_Frequently_Asked_Questions_%28posted_every_other_month%29 ; http://www.dbit.com/~greeng3/pdp1/pdp1.html#INTRODUCTION
1962ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/alt.sys.pdp8/PDP-8_Frequently_Asked_Questions_%28posted_every_other_month%29
1964Matick, Computer Storage Systems and Technology; http://www.research.microsoft.com/users/gbell/craytalk ; http://www.ddj.com/documents/s=1493/ddj0005hc/
1965Matick, Computer Storage Systems and Technology; http://www.fourmilab.ch/documents/univac/config1108.html ; http://www.frobenius.com/univac.htm
1968Data General.
1969-1970http://www.eetimes.com/special/special_issues/millennium/mile stones/whittier.html
1974Scientific Electronic Biological Computer Consulting (SCELBI)
1975- 1996Byte magazine advertisements
1997- 2000PC Computing magazine advertisements
2001http://www.pricewatch.com (http://www.jc-news.com/parse.cgi?news/pricewatch/raw/pw-010702 )
2002http://www.pricewatch.com (http://www.jc-news.com/parse.cgi?news/pricewatch/raw/pw-020624 )
2003http://sharkyextreme.com/guides/WMPG/article.php/10706_2227191_2
2004http://www.pricewatch.com (11/ 17/ 04)
2008http://www.pricewatch.com (10/ 02/ 08) ($ 16.61)

14. D-RAM 칩이 1달러당 처리할 수 있는 비트
1971-2000VLSI Research Inc.
2001-2006The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2002 Update and 2004 Update, Table 7a, “Cost —Near-term Years,” “DRAM cost/ bit at (packaged microcents) at production.”
2007-2008The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2008, Tables 7a and 7b, “Cost— Near-term Years,” “Cost— Long-term Years,”
2009-2022The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2009, Tables 7a and 7b, “Cost— Near-term Years,” “Cost— Long-term Years,”
15. RAM 칩에 장착된 총 비트 수
Steve Cullen, In-Stat, September 2008, www.instat.com
년도MbitsBits
1971921.69.216E+08
19723788.83.789E+09
19738294.48.294E+09
197419865.61.987E+10
197542700.84.270E+10
1976130662.41.307E+11
1977276070.42.761E+11
1978663859.26.639E+11
19791438720.01.439E+12
19803172761.63.173E+12
19814512665.64.513E+12
198211520409.61.152E+13
198329648486.42.965E+13
198468418764.86.842E+13
198587518412.88.752E+13
1986192407142.41.924E+14
1987255608422.42.556E+14
1988429404979.24.294E+14
1989631957094.46.320E+14
1990950593126.49.506E+14
199115465906181.547E+15
199228456386562.846E+15
199341779593224.178E+15
199475108057097.511E+15
1995130105999361.301E+16
1996233590780072.336E+16
1997456538791614.565E+16
1998851768781058.518E+16
19991.47327E+111.473E+17
20002.63636E+112.636E+17
20014.19672E+114.197E+17
20025.90009E+115.900E+17
20038.23015E+118.230E+17
20041.32133E+121.321E+18
20051.9946E+121.995E+18
20062.94507E+122.945E+18
20075.62814E+125.628E+18
16. 자기 데이터 저장장치의 1달러당 저장용량
Byte magazine advertisements, 1977― 1998; PC Computing magazine advertisements, 3/ 1999; Understanding Computers: Memory and Storage (New York: Time Life, 1990); http://www.cedmagic.com/history/ibm-305-ramac.html ; John C. McCallum, “Disk Drive Prices (1955― 2012)” ; IBM, “Frequently Asked Questions” ; IBM, “IBM 355 Disk Storage Unit” ; IBM, “IBM 3380 Direct Access Storage Device”
17. 뇌영상 기법의 벤다이어그램
http://www.KurzweilAI.net
18. 레이 커즈와일의 기술발전예측 정확도

How my predictions are faring — an update by Ray Kurzweil

19. 뇌스캐닝 도구
Amiram Grinvald and Rina Hildesheim “VSDI: A New Era in Functional Imaging of Cortical Dynamics,” Nature Reviews Neuroscience 5 (November 2004): 874― 85.

이 그래프는 뇌스캐닝에 사용되는 주요한 도구들을 망라한 것이다. 음영처리된 영역은 각각의 도구들의 성능을 의미한다.

공간해상도란 기술적으로 측정할 수 있는 공간 영역을 말한다. 시간해상도는 스캔시간 또는 지속기간을 의미한다. 뇌스캐닝 기술은 대개 이 두 척도 사이에 반비례하는 경향이 발생한다. 예컨대 뇌파(뉴런에서 나오는 전자신호)를 측정하는 EEG(뇌전도)는 매우 빠른 뇌파(짧은 시간 동안만 발생하는 신호)를 감지할 수 있지만 뇌의 표면에서 가까운 곳에서 발생하는 신호만 잡아낸다.

반면 fMRI (기능성 자기공명영상)은 뉴런으로 들어가는 피의 흐름(뉴런의 활동성을 알려주는 지표)을 측정하기 위한 특수한 MRI로 10마이크론까지 파고 들어가 뇌의 깊은 곳까지 (척수까지) 감지할 수 있다(마이크론은 100만분의 1미터). 하지만 fMRI는 EEG에 비해 매우 느리게 작동한다.

이들은 수술이나 약물을 사용하지 않고 측정하기 때문에 비침투성 기술이라고 한다. 또 다른 비침투성 기술로는 MEG(자기뇌파검사)가 있다. MEG는 뉴런에 의해 생성되는 자기장을 감지하며 1차 청각 영역, 체지각 영역, 운동 영역의 활동을 정확하게 찾아낸다. EEG와 MEG는 1밀리세컨드까지 내려가는 시간해상도로 변화를 측정할 수 있다. 이런 시간해상도는 fMRI보다 뛰어나지만, 공간해상도는 fMRI에 비해 크게 떨어진다.

광학영상은 공간해상도와 시간해상도 전체를 포괄하지만 침투성 기술이다. 광학영상은 다양한 기법을 활용할 수 있다.

VSDI(전압민감염료)는 주로 동물에게 적용하는 기법으로 노출된 신피질을 투명한 물질로 봉인하고 여기에 VSDI를 주입한다. VSDI가 적절하게 착색이 되었을 때 빛을 비추면서 고속카메라로 이미지를 연속촬영한다. 뇌의 활동을 가장 민감하게 측정할 수 있지만 신피질 표면에서 가까운 부분만 측정할 수 있다는 한계가 있다.

광학영상에 적용할 수 있는 또 다른 기법으로는 칼슘이온이나 소듐이온을 이용하는 이온영상과 형광영상시스템(공초점영상confocal imaging과 다중포톤영상multiphoton imaging)이 있다.

또 다른 실험기법으로는 3차원 영상을 만들어내는 핵의학 영상기법인 PET(양전자방출단층촬영)과 뇌에 2DG(2-deoxyglucose: 2-탈산포도당)를 이용한 사후조직학, 뉴런을 손상시키고 그 효과를 관찰하는 뇌병소기법, 생물학적 세포막을 통과하는 이온흐름을 측정하는 패치크램프, 전자광선으로 매우 미세한 크기의 조직이나 세포를 검사하는 전자현미경 기법 등이 있다. 이 기술들도 광학영상과 함께 사용할 수 있다.

20. 이탈리아~ 중국 1만 3,000킬로미터 자율주행테스트
“Without Driver or Map, Vans Go from Italy to China,” Sydney Morning Herald, October 29, 2010.
21. MRI의 공간해상도의 발전
해상도인용
2012125 μm “Characterization of Cerebral White Matter Properties Using Quantitative Magnetic Resonance Imaging Stains”
2010200 μm “Study of Brain Anatomy with High-Field MRI: Recent Progress”
2010250 μm “High-Resolution Phased-Array MRI of the Human Brain at 7 Tesla: Initial Experience in Multiple Sclerosis Patients”
1994 1,000 μm“Mapping Human Brain Activity in Vivo”
19891,700 μm“Neuroimaging in Patients with Seizures of Probable Frontal Lobe Origin”
19851,700 μm“Clinical Efficiency of Nuclear MAgetic Resonance Imaging”
19805,000 μm“In Vivo NMR Imaging in Medicine: The Aberdeen Approach, Both Physical and Biological [and Discussion]”
22. 파괴성 뇌스캐닝 기법의 공간해상도의 발전
침투성 이미징기술의 공간해상도, 1983-2011

년도x-y res인용(URL) | 기술
20114 nm“Focussed Ion Beam Milling and Scanning Electron Microscopy of Brain Tissue”
Focused ion beam/ scanning electron microscope (FIB/SEM)
20114 nm “Volume Electron Microscopy for Neuronal Circuit Reconstruction”
Scanning electron microscopy (SEM)
20114 nm“Volume Electron Microscopy for Neuronal Circuit Reconstruction” 
Transmission electron microscopy (TEM)
200413 nm“Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy to Reconstruct Three-Dimensional Tissue Nanostructure” 
Serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM) 결과인용: http://faculty.cs.tamu.edu/choe/ftp/publications/choe.hpc08-preprint.pdf, provided by Yoonsuck Choe.
200420 nm“Wet SEM: A Novel Method for Rapid Diagnosis of Brain Tumors”
“Wet” scanning electron microscopy (wet SEM)
1998100 nm“A Depolarizing Chloride Current Contributes to Chemoelectrical Transduction in Olfactory Sensory Neurons in Situ”
Scanning transmission eletron microscope (STEM)
19942000 nm“Enhanced Optical Imaging of Rat Gliomas and Tumor Margins”
Enhanced optical imaging | 20마이크론 2/픽셀(22) 미만 광학이미지의 공간해상도
19833000 nm“3D Imaging of X-Ray Microscopy”Projection microscopy 논문의 Fig. 7 참조
23. 동물에 사용하는 비파괴성 뇌스캐닝의 공간해상도의 발전
동물을 대상으로 하는 비파괴성 이미징기술의 공간해상도, 1985-2012
년도해상도인용기술 | 참고사항
20120.07 μmSebastian Berning et al., “Nanoscopy in a Living Mouse Brain,” Science 335, no. 6068 (February 3, 2012): 551.Stimulated emission depletion (STED) fluorescence nanoscopy 현재까지 생체조건 안에서 도달한 최고의 해상도
20120.25 μmSebastian Berning et al., “Nanoscopy in a Living Mouse Brain,” Science 335, no. 6068 (February 3, 2012): 551.Confocal and multiphoton microscopy
200450 μmAmiram Grinvald and Rina Hildesheim, “VSDI: A New Era in Functional Imaging of Cortical Dynamics,” Nature Reviews Neuroscience 5 (November 2004): 874― 85.Imaging based on voltage-sensitive dyes (VSDI) VSDI는 50μm 이상의 공간해상도를 제공하여 신피질의 피질기둥을 관찰할 수 있는 고해상도 지도를 만들어낸다.
199650 μmDov Malonek and Amiram Grinvald, “Interactions between Electrical Activity and Cortical Microcirculation Revealed by Imaging Spectroscopy: Implications for Functional Brain Mapping,” Science 272, no. 5261 (April 26, 1996): 551― 54.Imaging spectroscopy 주어진 뇌 영역에 속하는 개별적인 피질기둥 사이의 공간적 관계에 대한 연구는 50μm 정도의 공간해상도에서 내인성 신호에 기초한 광학영상을 이용하면 측정할 수 있다.
199550 μmD. H. Turnbull et al., “Ultrasound Backscatter Microscope Analysis of Early Mouse Embryonic Brain Development,” Proceedings of the National Academy of Sciences 92, no. 6 (March 14, 1995): 2239― 43.Ultrasound backscatter microscopy 쥐의 초기 배아의 신경관과 심장을 확인하기 위해 ‘초음파 후방산란 현미경관찰’이라는 기법을 활용하여 실시간영상을 촬영할 수 있다는 것을 증명하였다. 이 기법은 50μm에 가까운 공간해상도로 9.5일에서 11.5일 사이에 자궁에 착상한 살아있는 배아의 발생단계를 연구하는 데 사용되었다.
1985500 μmH. S. Orbach, L. B. Cohen, and A. Grinvald, “Optical Mapping of Electrical Activity in Rat Somatosensory and Visual Cortex,” Journal of Neuroscience 5, no. 7 (July 1, 1985): 1886― 95.