세상에서 가장 효율적인 컴퓨터는 중량이 단 1.4㎏에 불과하다. 게다가 사용자 매뉴얼조차 없다. 그 컴퓨터는 바로 인간의 뇌다. 인간의 뇌가 하루 종일 일하기 위해 필요한 에너지는 샌드위치 하나의 열량이면 족하다.
반면 14만7,456개의 850㎒ CPU를 장착한 IBM의 다운(Dawn) 슈퍼컴퓨터는 고양이 대뇌피질 정도가 수행하는 단순한 시뮬레이션을 하는 데도 하루에 샌드위치 5만개에 해당하는 에너지가 필요하다. 이를 보면 무수한 신경과학자와 컴퓨터공학자들이 인간의 뇌를 모방한 컴퓨터의 개발에 매진하고 있는 것도 무리가 아니다.
하지만 이런 능력의 컴퓨터 개발은 결코 쉽지 않다. 뉴런들의 상호 네트워킹을 더 잘 알아야 하며 그 원리를 이해할 풍부한 소프트웨어 모델도 요구된다. 시뮬레이션을 실행할 복잡한 하드웨어 역시 필수적이다. 이를 위한 3가지 프로젝트를 소개한다.
커넥톰 CONNECTOME
목표
1,000억개 뉴런들의 상호 연결 방식 규명
연구방법
일부 연구가들은 수작업으로 각 뉴런의 시냅스를 파악하고 있다. 이 작업은 뉴런 1개당 10명의 연구자가 1시간을 투자해야 해 완벽한 파악에 1,000년은 걸린다. 커넥톰 프로젝트에서는 MRI 스캔 등 최신 이미징 기술을 사용하는 다수의 연구팀이 참여, 뇌의 한 부분이 다른 부분과 연결되는 메커니즘을 거시적으로 파악한다.
연구상황
미국 미네소타대학과 워싱턴대학 연구팀이 초고자장 MRI를 활용, 오는 2014년까지 건강한 성인 1,200명의 뇌 연결 방식을 분석할 예정이다.
기대효과
기억 등 뇌 기능에 대해 한층 정확한 해부학적 모델 구축이 가능하다. 또한 건강한 사람의 모델과 자폐증, 알츠하이머병 등 정신질환자의 모델을 비교 분석할 수도 있다.
블루진 BLUE GENE
목표
인간의 뇌를 모방한 소프트웨어 개발
연구방법
스위스 로잔공과대학의 앙리 마르크람 박사가 뉴런 소집단들의 전기적 활동을 사소한 펄스 하나까지 재현, 이들의 상호 소통방식에 대한 소프트웨어 모델을 개발 중이다. 향후 10년 내 인간의 뇌 전체를 재현하는 소프트웨어 모델의 개발이 최종 목표다.
연구상황
과거 마르크람 박사가 개발한 3D 디지털 모델은 외부자극에 대해 실제 박쥐의 뇌와 유사한 반응을 보인 바 있다. 현재 그는 뉴런 100만개의 뇌 재현을 앞두고 있다.
기대효과
합성 신경전달물질이나 여러 기분제어 약품 제조기업들이 동물실험 없이도 시뮬레이션을 통해 약효를 확인할 수 있게 된다.
시냅스 DARPA SYNAPSE
목표
인간의 뇌처럼 에너지 효율적으로 소프트웨어를 실행하는 하드웨어의 설계
연구방법
HP가 미 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 메모리와 레지스터를 통합한 ‘멤리스터’를 만들고 있다. 뉴런의 시냅스처럼 멤리스터도 ‘뉴런’이 과거에 어떻게 발화됐는지를 기억한다. 또한 크기가 나노 단위여서 에너지 소비량은 적고 연산밀도는 매우 높다.
연구상황
내달 중 보스턴대학 연구팀이 멤리스터를 이용해 상황인식, 의사결정, 네비게이션 등의 기능을 수행할 수 있는 지능형시스템 개발에 돌입한다.
기대효과
프로세서와 메모리 간의 정보전달은 컴퓨터의 효율적 설계를 위한 최대 난제 중 하나다. 두 가지 역할을 동시에 수행하는 칩이 있다면 연산능력과 에너지 효율을 크게 높일 수 있다.
