[누구나 개발자 #1] ⑦신용녀 박사 "미래의 컴퓨팅 파워, 애저 퀀텀으로 한발 더 가깝게"

입력 2020.08.06 07:00

‘AI의 대중화’ 시대다. [누구나 개발자] 1편에서는 국내 유일의 소프트웨어전문지인 마이크로소프트웨어(이하 마소) 400호에 인공지능에 대한 이야기를 풀어낸 ‘스팟라이트’ 섹션의 기고를 소개한다. [편집자주]

① AI is everywhere
② 오픈소스 AI 개발 도구가 애저 클라우드와 만났을 때
③ 애저에서 머신러닝을 한다는 것...머신러닝이 클라우드, 오토 ML과 ML옵스를 만났을 때
④ 인텔리전트 ‘엣지와 클라우드’의 궁극적 지향점
⑤ 오피스 안으로 들어온 AI
⑥ 누구나 AI 전문가로!
⑦ 양자 컴퓨팅 활용의 지름길 ‘애저 퀀텀'
⑧ 알고리즘랩스 "인공지능 기술 보편화에 기여하겠다"

미래를 준비하는 개발자를 위한 제안
마이크로소프트가 제시하는 퀀텀 컴퓨팅 활용의 지름길 ‘애저 퀀텀’

양자 컴퓨터는 기존의 컴퓨터로 해결할 수 없거나, 너무 오랜 시간과 자원이 필요한 문제를 해결할 수 있는 미래의 컴퓨팅 기술로 꼽힌다. 하지만 기존의 컴퓨팅 기술과 프로그래밍 언어, 개발 도구에 익숙하던 개발자 입장에선 전혀 생소하고 낯선 기술이다.

최근 마이크로소프트는 기존의 개발자들이 손쉽게 퀀텀 컴퓨팅의 개념을 받아들이고, 이를 활용한 미래적인 솔루션과 시스템을 개발할 수 있는 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스 ‘애저 퀀텀’을 공개했다. 직면한 사회적·과학적 과제를 해결하는 것은 물론, 아직 초기 단계인 양자 생태계를 활성화하고, 미래 컴퓨팅 업계를 이끌어 갈 선도적인 개발자와 전문가를 육성하기 위해서다.

‘마이크로소프트웨어’는 400호 특집으로 한국마이크로소프트의 최고기술임원(NTO) 신용녀 박사를 만나 양자 컴퓨터의 기초, 애저 퀀텀의 등장 배경과 목표, 개발자에게 제시하는 비전 등을 직접 들어봤다.

#양자 컴퓨팅
양자 컴퓨팅이란 무엇이고, 어째서 필요한가

양자 컴퓨팅이란 전자의 흐름을 이용하는 기존 반도체 회로가 아닌, 양자(量子, quantum) 특유의 역학적 특징인 중첩(Superposition)과 얽힘(Entanglement)을 이용하는 완전히 다른 원리의 컴퓨팅이다. 기존 컴퓨터는 0과 1로 구성된 비트(bit)를 기반으로 수많은 트랜지스터를 집적한 회로 안에서 연산을 처리한다. 양자 컴퓨터는 비트가 아닌 큐비트(Qubit)를 기본 단위로 해 정보를 처리한다.

현재 기술로는 트랜지스터의 집적만으로 컴퓨터 성능을 높이는 것은 사실상 한계에 도달했다. 반도체 제조 기술의 발달로 회로 폭이 한 자릿수 나노미터(㎚)급으로 줄어들면서 전자의 흐름을 완전히 통제하는 것이 더욱 어려워졌다. 그 때문에 물리학자들을 중심으로 기존의 고전역학 기반이 아닌, 양자의 독특한 성질을 이용한 완전히 다른 원리의 컴퓨터를 만들어보자는 시도에서 출발한 것이 양자 컴퓨터다.

전구를 예로 들면, 기존의 컴퓨터는 전원의 온오프(On·Off)만 가능한 전구다. 두 가지 상태 값만 있어 의미 있는 특정 정보를 전달하려면 모스 부호 같은 규칙에 맞춰 전구를 깜박여야 한다. 쉽고 간편하게 정보를 전달할 수 있지만, 한 번에 하나의 정보만 전달할 수 있다. 양이 많거나 복잡한 정보는 한 번에 전달하기 어렵다. 양자 컴퓨터는 밝기를 조절할 수 있는 전구라고 보면 된다. 밝기 정도에 따라 더 많은 상태값을 만들 수 있고, 더 많고 다양한 정보를 동시에 전달할 수 있다.

이러한 원리를 응용하면, 기존 컴퓨터로 10억 년이 걸리는 계산식을 양자 컴퓨터는 100초 내에 끝낼 수 있다. 단순히 현재 컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 것은 물론, 기존에는 상상할 수 없었던 일을 실현할 수 있기 때문에 양자 컴퓨팅이 필요하다.

양자 컴퓨팅 생태계의 현주소를 짚어 달라

2011년 캐나다의 디웨이브 시스템(D-Wave Systems)에서 128큐비트 규모의 ‘D-Wave One’이라는 양자 컴퓨터를 시장에 내놓았다. 그 이후 다양한 기업과 연구소에서 각기 다른 형태의 양자 컴퓨터를 하나둘 선보이기 시작했다. 현재 일부 기업에서 머신러닝과 자연어 처리 등에 양자 컴퓨팅 기술을 활용하고 있다.

양자 컴퓨터가 세상의 모든 문제를 해결할 수 있는 만능의 존재는 아니다. 하지만 적어도 기존 컴퓨터보다 수백 배 빨리 결과물을 얻을 수 있다. 식량 문제, 탄소 배출 같은 환경 문제, 신소재 및 차세대 에너지 개발, 코로나19처럼 당장 예방용 백신이나 치료제가 없는 난치병을 위한 신약 개발 등 현재 인류가 당면한 미해결의 문제를 좀 더 빨리 해결하는 데 도움 될 수 있다.

다만 현재 양자 컴퓨팅 생태계는 양자 컴퓨터 활용보다는 하드웨어적인 측면, 즉 양자 컴퓨터 자체를 개발하는 데 더 집중하는 상황이다.

마이크로소프트의 양자 컴퓨팅 기술은 현재 어느 단계인가

1946년 에니악(ENIAC)이 등장한 이래 70년이 지난 지금까지 인류는 몰라볼 정도로 빠르게 컴퓨팅 기술을 발전시켜왔다. 양자 컴퓨팅은 그 이후 미래로 도약할 기회를 얻은 셈이다.

중요한 것은 양자 컴퓨팅을 비롯한 어떠한 차세대 기술이든지 다음 단계로 넘어가려면 새로운 것을 받아들이고 활용하는 자세가 필요하다. 즉, 기존의 비트(bit) 중심의 생각을 큐비트(qubit) 중심으로 생각의 차원을 바꿀 시기다.

마이크로소프트는 하드웨어는 물론, 소프트웨어 측면에서도 양자 컴퓨팅을 진행하고 있다. 2004년 스테이션Q(Station Q) 퀀텀 컴퓨팅 연구소 설립을 시작으로 지속적으로 양자 컴퓨팅을 연구하고 있다. 미국 산타 바바라(Santa Barbara), 덴마크 링비(Lyngby)를 포함해 전 세계 8개 연구소에서 기술 경쟁력을 확보하고 있다. 오픈 퀀텀 에코시스템으로 현존하는 복잡한 범국가적 문제를 해결하는 데 이바지할 수 있도록 환경 문제, 헬스케어와 같은 분야를 집중적으로 연구하고 있다.

업계에서 널리 쓰이는 개발 도구 중 하나인 비주얼 스튜디오(Visual Studio)에서 양자 프로그램을 개발하고, 클라우드 환경인 애저(Azure)를 통해 누구나 양자 컴퓨팅을 이용해 결과물을 얻을 수 있게 하는 것이 목표다. 풀스택 오픈 클라우드 에코시스템 기반으로 클라우드에서 바로 양자 컴퓨팅 기술을 활용할 수 있게 하는 것이 ‘애저 퀀텀’이다.

#애저 퀀텀
애저 퀀텀에 대해 좀 더 구체적으로 알고 싶다

애저 퀀텀은 다양한 서비스를 제공하는 일종의 통합 개발 세트로 보면 된다. 개발자와 고객에게 사전 빌드 솔루션부터 소프트웨어 및 퀀텀 하드웨어에 이르기까지 가장 경쟁력 있는 퀀텀 제품에 대한 다양한 접근 방법을 제시한다. 특히 개발자를 위한 오픈소스 형태의 ‘퀀텀 개발 도구(Quantum Development Kit, 이하 QDK)’를 통해 최신 퀀텀 솔루션을 학습하고 시스템을 구축하는 데 필요한 모든 도구와 리소스를 제공한다.

애저 퀀텀을 이용하면 개발자가 산업 특성에 맞춘 퀀텀 솔루션과 알고리즘을 개발할 수 있다. 클라우드 기반으로 제공하는 만큼, 필요한 시뮬레이터와 사용 리소스를 애저 리소스 예측 도구를 통해 확인할 수 있고 원하는 만큼 가용 범위를 설정해 운영할 수 있다.

다양한 퀀텀 하드웨어 시스템 옵션을 지원하는 만큼 선택에 따라 여러 형태의 큐비트 아키텍처 구현이 가능하다. 무엇보다 애저 클라우드와 함께 제공하기 때문에 엔터프라이즈급의 안전한 보안 환경에서 다양한 파트너 서비스를 통한 규모 확장이 가능하다.

현재는 다양한 퀀텀 사용 지원을 위해 사용자가 제출한 사용 시나리오를 기반으로 제한적인 체험만 제공하는 상황이다. 올 연말쯤 정식 상용 서비스를 선보일 예정이다.

애저 퀀텀을 도입한 곳이 있는가

주로 의료·에너지 등의 산업군을 중심으로 다양한 산업군에서 애저 퀀텀을 도입해 운영 중이다. 미국 오하이오에 있는 케이스 웨스턴 리저브 대학(CWRU)은 X레이·CT·MRI 등으로 촬영한 의료 이미지의 분석 및 판별에 애저 퀀텀의 알고리즘을 활용한다. 이를 통해 기존 방식보다 스캔 속도는 세 배 빨라졌고, 각종 질병의 주요 식별자(identifier) 판단 정확성은 30% 가까이 향상됐다. 또한, 촬영 결과를 증강현실(AR) 디바이스인 ‘홀로렌즈(HoloLens)’의 3D 프로그램으로 구현해 더욱 향상된 헬스케어 서비스를 제공할 수 있게 됐다.

두바이 수전력청(DEWA)은 국가 차원 에너지 관리의 최적화를 위해 마이크로소프트와 손잡고 퀀텀 기반 솔루션을 개발하고 있다. 실시간으로 변하는 에너지 수요의 예측뿐 아니라, 기후 변화가 각종 에너지 자원에 미치는 영향과 관계를 분석해 최적화하는 데 애저 퀀텀 기술을 활용하고 있다. 디지털 DEWA(Digital DEWA)라는 자회사를 설립하고 마이크로소프트와 긴밀하게 협업해 본격적으로 환경 지속 가능성(Sustainability)을 높이는 중이다.

#개발자 지원
애저 퀀텀과 함께 선보인 양자 개발 언어 ‘큐샵’이란 무엇인가

QDK와 함께 제공하는 고급 프로그래밍 언어 큐샵(Q#)은 양자 프로그래밍의 과제를 해결하면서 프로그래밍과 알고리즘 개발을 더 쉽게 할 수 있도록 설계됐다. 큐샵 컴파일러는 소프트웨어 스택에 통합됐으며, 양자 알고리즘을 양자 컴퓨터의 기본 연산으로 컴파일할 수 있다.

당장 물리적인 퀀텀 컴퓨터가 없는 기업이나 연구기관에서도 개발자가 QDK와 큐샵을 이용해 퀀텀 컴퓨팅에 기반한 차세대 솔루션을 개발할 수 있다. 양자 프로그래밍으로 클래식 컴퓨터에서 최대 특정 크기(큐비트 수)까지 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

기존 소프트웨어 개발과 접근 방식이 다른 만큼 개발자들이 쉽게 배우거나 다루기가 쉽지 않을 것 같다

현재 적지 않은 개발자가 퀀텀 컴퓨팅이 미래 사회의 중요한 위치를 차지할 것이라는 의견에 공감한다. 그만큼 좀 더 빨리 미래의 컴퓨팅 파워를 직접 접하고 활용하고 싶어 한다. 그러나 일반적으로 개발자들이 퀀텀 컴퓨팅에 직접 접근하기란 쉬운 일이 아니다.

우리는 이러한 개발자들의 수요를 충족하기 위해 QDK를 통해 다양한 기술적인 정보를 제공한다. 이미 MS의 다양한 개발 도구를 활용해본 기존 개발자들이 퀀텀 컴퓨팅 분야에서도 획기적인 솔루션을 생산할 수 있도록 지원 및 협력하고 있다.

개발자는 QDK와 큐샵을 통해 퀀텀 컴퓨팅 개발에 최적화한 언어를 익힐 수 있다. 물론 파이썬처럼 기존 언어에 익숙한 개발자도 좀 더 쉽게 양자 컴퓨팅에 접근하고 양자 친화적인 솔루션을 개발 및 활용할 수 있는 방법을 제공하기 위해 노력 중이다.

QDK는 양자 컴퓨팅을 처음 접한 개발자도 양자 프로그래밍을 쉽게 시작할 수 있도록 다양한 샘플과 라이브러리, 활용 예제 등을 큐샵과 함께 제공한다. 특히 QDK에 포함된 다양한 분야의 활용 예제를 참고하면 익숙하지 않은 분야에도 더 쉽게 접근할 수 있다. 물리학·화학·생물학 등 기초 과학 영역에 관심 있거나, 이미 관련 솔루션을 개발한 경험이 있는 개발자라면 QDK에 포함된 각종 예제 자료는 자신의 솔루션을 양자 컴퓨팅 환경으로 확장할 때 중요한 참고 자료가 될 것이다.

개발자들의 QDK와 큐샵 활용 능력이 높아질수록 우리 사회는 더욱 빠르게 양자 컴퓨팅 친화적인 IT 환경으로 진화할 수 있을 것으로 기대한다. 사회 전반에 양자 컴퓨팅을 활용하는 솔루션이 늘어날수록 좀 더 성숙한 기술로 발전할 수 있는 선순환이 될 것이다.

개발자를 위한 구체적인 지원 계획은 어떠한 것이 있는가

마이크로소프트는 최근까지 수많은 오픈소스를 지원해 왔다. 양자 컴퓨팅 영역의 오픈소스뿐 아니라 자체 솔루션을 개발하는 개발자를 위한 서비스도 지원한다.

현재의 양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 불과하다. 개발자들의 좀 더 적극적인 참여가 필요하다. 다양한 분야의 개발자가 참여할수록 보편화한 기술로 빠르게 자리 잡을 수 있다. 이를 위해 마이크로소프트는 개발자들이 각종 개발 자료를 공유하고 협업하는 공간인 깃허브(GitHub)에 다양한 자료를 공개하고 있다.

애저 퀀텀 프리뷰를 통해서도 개발자 및 솔루션 개발 업체들이 운영 가능한 양자 컴퓨팅 솔루션을 개발할 수 있도록 지원한다. 아직은 개발자들이 손쉽게 접근 가능한 양자 컴퓨팅 시스템이 절대적으로 부족한 상태다. 그만큼 애저 퀀텀이 선제적으로 제시하는 시뮬레이션 또는 클라우드 환경에서의 양자 컴퓨팅 개발 방법은 개발에 많은 도움과 기회를 제공할 것이다.

개발자에게 전하고 싶은 메시지와 목표

양자 컴퓨팅은 앞으로 등장할 수많은 예측 솔루션의 기반 기술이 될 것이다. 그만큼 이를 준비하는 개발자의 자세도 중요하다. 다양한 정보 획득과 실험적인 접근, 수많은 시행착오와 시간적 노력이 병행될 수밖에 없다. 그런 상황에 인프라스트럭처 구성, 익숙하지 않은 언어 학습, 관련 정보와 지식 획득 등 기초적인 분야에만 너무 많은 시간과 자원, 에너지를 투자하면 개발자 입장에서는 손해다.

마이크로소프트의 퀀텀 컴퓨팅 개발자 지원 프로그램은 그러한 번거로운 과정을 최대한 단순화하는 동시에, 개발자가 양자 컴퓨팅을 활용한 솔루션을 곧바로 개발할 수 있도록 지원한다. 기존의 개발 방법에서 크게 벗어나지 않고도 새로운 기술을 익힐 수 있기 때문이다. 개발자가 빠르게 숙련도를 높이고, 완성도 높은 양자 컴퓨팅 솔루션을 먼저 개발해 다양한 분야에서 기여할 수 있도록 돕는 것이 목표다.

미래 기술로 각광받는 양자 컴퓨팅에 대한 관심과 개발 욕구가 있는 개발자라면 마이크로소프트 퀀텀 컴퓨팅 기술과 개발 도구, 관련 서비스가 적절한 해답을 줄 수 있다고 확신한다.

정리 최용석 기자 redpriest@chosunbiz.com

[마.필.톡] 400호 특집! 신용녀 박사가 전한 메시지 영상 / 촬영 편집 노창호 PD


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