처음 ChatGPT를 써보면 누구나 한 번쯤은 이렇게 느낍니다.
“어떻게 이렇게 자연스럽게 말하지?”
“내 질문을 정확히 이해한 것 같은데… 진짜 생각하고 있는 걸까?”
질문에 대한 답변도 빠르고, 맥락까지 잘 따라오고, 마치 누군가와 대화하는 것처럼 말까지 부드럽습니다. 그래서 종종 “이거 혹시 진짜로 사고하는 건가?“라는 의문이 생기죠.
하지만 ChatGPT는 인간처럼 ‘생각’을 하지는 않습니다. 그렇다면, 도대체 어떻게 이처럼 지능적인 답변을 만들어낼 수 있는 걸까요?
이 글에서는 ChatGPT의 대답이 만들어지는 원리, 즉 머릿속(?)에서 무슨 일이 벌어지는지 쉽게 풀어보려 합니다. 학습은 어떻게 이루어지고, 지금 여러분에게 답변하는 건 어떤 방식으로 이루어지는지 — 그 핵심 개념들을 하나씩 이해해볼 수 있을 거라 생각합니다.
우리가 ChatGPT에게 질문을 하면, 정말 놀라울 정도로 자연스럽고 빠른 답변이 돌아옵니다. 마치 사람처럼 생각하고 말하는 것처럼 느껴지기도 하죠. 하지만 실제로 ChatGPT는 사람처럼 사고하거나 이해하는 존재는 아닙니다.
이러한 ChatGPT의 작동 방식 뒤에는 신경망(Neural Network)이라는 구조가 있습니다. 이는 사람의 뇌 구조를 본떠 만들어진 인공지능의 핵심 기술로, 수많은 ‘가상 뉴런’들이 서로 연결되어 정보를 처리하고 패턴을 학습합니다. ChatGPT도 이 신경망을 기반으로 작동합니다.
이 과정은 크게 두 가지로 나뉩니다.
학습(Training) AI가 처음 만들어질 때, 수많은 문서와 대화를 학습합니다. 이때 목표는 “어떤 문맥에서는 어떤 단어가 자주 등장하는지” 같은 패턴을 파악하는 것이고, 이를 위해 가중치(Weight)와 편향(Bias)이라는 수치를 조정해 나갑니다. 마치 사람이 책을 많이 읽으면서 문장 구성법을 익히는 것과 비슷한 개념이죠.
유추(Inference) 학습이 끝난 AI는 이제 실제 사용자 질문에 대해 답을 하게 됩니다. 이때는 학습 당시 저장된 가중치와 편향을 이용해 새로운 입력에 맞는 결과를 계산합니다. 중요한 점은, 이 단계에서는 더 이상 학습하지 않습니다. 이미 배운 지식을 바탕으로, 가장 가능성 높은 답을 선택하는 과정인 것이죠.
신경망에서는 데이터를 기반으로 학습을 수행하고, 이후 사용자의 요청에 따라 확률적으로 유추한 결과를 반환합니다. 신경망 구조에서 학습과 유추가 어떻게 이루어지는지 한번 살펴보겠습니다.
LLM은 거대한 데이터셋을 기반으로 만들어진 언어 모델이며, 방대한 데이터셋을 학습하면 할수록 더 의도에 부합하고 정확한 결과를 제공할 수 있다고 알려져 있습니다. 그렇다면 이 데이터셋은 어떻게 학습되는 것일까요?
신경망은 수많은 뉴런(Neurons)으로 구성되어 있으며, 각 뉴런은 입력 값을 받아들이고 계산을 수행한 뒤 다음 단계로 전달합니다. 이때 계산의 핵심 역할을 하는 것이 바로 가중치(Weight)와 편향(Bias)입니다. 이러한 요소들은 신경망이 얼마나 잘 학습하고 예측할 수 있는지를 결정짓는 중요한 파라미터입니다.
가중치(Weight)
가중치는 입력된 정보가 얼마나 중요한지를 나타내는 값입니다. 쉽게 말해, 뉴런으로 들어오는 수많은 정보들 중에서 어떤 정보에 더 집중하고, 어떤 정보는 덜 중요하게 여길지 결정하는 '스위치'와 같습니다.
예를 들어, "이 동물이 강아지일까요?"라고 물었을 때, "네 발", "짖는 소리", "꼬리를 흔듦" 같은 여러 정보가 뉴런으로 들어온다고 가정해봅시다. 이때 '짖는 소리'가 강아지를 판단하는 데 아주 중요한 특징이라면, 이 정보에는 높은 가중치가 부여되겠죠. 반대로 '꼬리를 흔듦'은 다른 동물도 할 수 있으니 상대적으로 낮은 가중치를 가질 수 있습니다.
신경망은 학습을 통해 이 가중치 값들을 계속 조절하면서, 어떤 정보가 더 중요한지 스스로 깨달아갑니다. 마치 우리가 경험을 통해 어떤 특징이 더 중요한지 배우는 것과 같아요.
편향(Bias): 결과값을 조절하는 미세 조정 장치
편향은 뉴런의 최종 계산 결과값을 특정 방향으로 미세하게 조절해주는 값입니다. 뉴런이 어떤 결정을 내릴 때, 이 편향 값만큼 더 쉽게 '예'라고 대답하거나, 아니면 더 어렵게 '예'라고 대답하도록 도와주는 '조정 장치'라고 생각할 수 있습니다.
예를 들어, 어떤 시험에서 합격하려면 60점 이상을 받아야 한다고 합시다. 이때 편향이 5점이라면, 실제 점수가 55점이어도 편향 덕분에 60점이 되어 합격할 수 있게 되는 식이죠. 물론 반대의 경우도 가능하고요.
가중치가 정보의 '중요도'를 판단한다면, 편향은 그 중요도를 바탕으로 나온 결과값을 마지막으로 '보정'해주는 역할을 합니다. 이 둘이 함께 작동함으로써 신경망은 복잡한 패턴을 인식하고 더 정확한 예측을 내놓을 수 있게 된답니다.
뉴런의 주요 파라미터인 가중치와 편향은 다음과 같은 과정을 거쳐 학습됩니다.
순전파 (Forward Propagation): "일단 풀어봐!"
첫 번째 단계는 순전파입니다. 이건 뉴런이 문제를 처음 풀어보는 과정과 같습니다.
입력값 투입: 우리가 신경망에 어떤 데이터(예: 강아지 사진)를 입력 값으로 넣어줍니다.
초기 계산 시작: 각 뉴런은 자신이 가진 초기 가중치와 편향을 이용해서 이 입력 값을 계산하기 시작합니다. 마치 학생이 처음 보는 문제를 자기 나름대로 풀어보는 것과 같습니다.
다음 단계로 전달: 한 뉴런의 계산 결과는 다음 뉴런의 입력 값이 되고, 이런 식으로 정보가 입력층에서 시작해 여러 은닉층을 거쳐 최종적으로 출력층까지 쭉 흘러갑니다. 이렇게 해서 신경망은 '이 사진은 고양이' 같은 최종 예측값을 내놓게 됩니다.
손실 계산 (Loss Calculation): "얼마나 틀렸을까?"
이제 신경망이 내놓은 예측값과 실제 정답(예: 이 사진은 사실 강아지였다!)을 비교하는 단계입니다. 이것을 손실 계산이라고 부릅니다.
정답과 예측 비교: 신경망이 예측한 값과 실제 정답(실제값) 사이에 얼마나 차이가 나는지를 계산합니다. 이 차이가 클수록 '손실(Loss)'이 크다고 말하고, 신경망이 많이 틀렸다는 뜻입니다. 손실이 작을수록 잘 맞혔다는 게 됩니다.
오답 노트 작성: 마치 시험 점수를 매겨서 "아, 이 문제 틀렸네!" 하고 오답 노트를 쓰는 것과 같습니다. 이 손실 값이 바로 신경망이 무엇을 고쳐야 할지 알려주는 중요한 신호가 됩니다.
역전파 (Backward Propagation): "틀린 부분 고치자!"
가장 핵심적인 부분입니다. 손실 값을 알았으니 이제 어디를 어떻게 고쳐야 할지 찾아내는 단계입니다. 이걸 역전파라고 합니다.
거꾸로 돌아가며 원인 찾기: 손실이 발생했다는 것을 알면, 신경망은 그 손실이 어느 뉴런의 어떤 가중치와 편향 때문에 발생했는지를 거꾸로 추적해나갑니다. 마치 오답 노트를 보며 "이 문제를 틀린 건 개념 A를 잘못 이해했기 때문이야!" 하고 원인을 찾아내는 거죠.
기울기 계산: 이때 '기울기(Gradient)'라는 것을 계산하는데, 이것은 가중치와 편향을 얼마나, 그리고 어느 방향으로 조절해야 손실이 줄어들지를 알려주는 지표입니다. 마치 "이 문제는 이런 방식으로 다시 공부해야겠다!" 하는 구체적인 학습 방향을 정하는 것과 같습니다.
파라미터 업데이트: 계산된 기울기를 바탕으로 뉴런의 가중치와 편향 값을 조금씩 업데이트(조절)합니다. 이렇게 가중치와 편향을 바꾸면, 다음번에 똑같은 입력값이 들어왔을 때 더 정확한 예측을 내놓을 수 있게 됩니다.
이와 같은 과정을 여러 번 반복하면서 모델은 점차 최적화됩니다. 학습에서 중요한 것은 모델이 파라미터를 스스로 조정하면서 점점 더 좋은 예측을 할 수 있도록 개선되는 점입니다.
유추의 목적은 학습된 파라미터를 활용하여 새로운 데이터에 대한 예측 결과를 생성하는 것입니다. 모델은 학습된 파라미터(가중치와 편향)를 활용하여 입력 데이터를 처리하고 최종 결과를 생성합니다.
추론 과정은 학습할 때와 비슷하지만, 아주 중요한 차이점이 하나 있습니다.
챗GPT에게 새로운 질문을 입력하면, 이 질문은 학습할 때와 똑같이 신경망의 첫 단계인 입력층으로 들어갑니다. 그리고 이 질문 데이터는 모든 은닉층을 차례차례 통과하며 계산됩니다.
여기서 중요한 건, 이때 사용되는 가중치와 편향 값은 학습을 통해 이미 정해진, 고정된 값이라는 부분입니다. 더 이상 배우는 게 아니라, 배운 걸 활용하는 단계입니다. 학습 때처럼 '역전파'는 일어나지 않습니다. 즉, 오류를 고치거나 파라미터를 업데이트하는 과정이 전혀 없습니다. 그저 배운 대로 계산만 쭉 진행하는 겁니다.
ChatGPT 역시 동일한 방식으로 유추 과정을 거칩니다. 다만 출력층에서는 다음에 올 가능성이 가장 높은 토큰(단어)을 생성하며, 이를 반복하여 최종 응답을 완성합니다. 예를 들어, 100개의 단어로 구성된 응답을 생성하려면 100번의 순전파를 반복적으로 수행해야 하며, 이는 오토레그레시브(Autoregressive) 모델의 작동 원리에 기인합니다.
챗GPT는 우리가 질문하면 곧바로 완벽한 문장을 뚝딱 내놓는 것처럼 보이죠? 하지만 사실은 아주 신기한 방법으로 한 단어씩, 한 단어씩 신중하게 대답을 만들어낸답니다. 바로 '오토레그레시브(Autoregressive) 방식'이라는 건데요, 쉽게 말해 '이전에 나온 말을 보면서 다음 말을 예측하는' 방식입니다.
이렇게 작동합니다.
"다음은 무슨 단어가 나올까?" 우리가 챗GPT에게 어떤 질문(프롬프트)을 입력하면, 챗GPT는 이 질문을 꼼꼼히 분석해요. 그리고는 "이 질문 다음에 나올 단어 중에 어떤 단어가 가장 자연스러울까?" 하고 고민합니다. 수많은 단어 중에서 가장 높은 확률로 나올 것 같은 단어(토큰)를 딱 하나 선택해서 내놓습니다.
새로운 단어를 추가해서 다시 예측! 이렇게 챗GPT가 첫 번째 단어를 만들었다면, 이제 이 새로 만들어진 단어를 원래 질문에 합쳐서 다시 새로운 입력으로 삼게 됩니다. 그리고는 또다시 "지금까지 나온 모든 단어 다음에 올 가장 적절한 단어는 뭘까?" 하고 예측합니다.
이 과정을 반복, 또 반복하게 됩니다. 매번 자신이 방금 만들어낸 단어까지 포함해서, 그 다음 단어를 예측하게 됩니다. 마치 우리가 끝말잇기를 할 때, 앞 사람이 말한 단어에 맞춰서 다음 단어를 떠올리는 것과 똑같습니다.
덕분에 챗GPT는 문맥에 딱 맞는 자연스러운 문장을 한 단어씩 차곡차곡 쌓아 올리며 우리에게 완벽한 대답을 건넬 수 있게 됩니다.
GPT가 답변을 한 단어씩 예측하면서 매번 모든 은닉층을 통과해야 한다면, 계산 비용이 엄청날 것 같죠? 매 순전파 과정마다 모든 은닉층을 통과해야 합니다. 게다가 긴 답변을 만들려면 수십, 수백 번 이 과정을 반복해야 할 테니, 시간이 오래 걸리거나 자원이 많이 들지 않을까 걱정할 수 있습니다.
원칙적으로는 생성해야 할 단어(토큰) 수가 많아질수록 챗GPT가 해야 할 계산량은 그만큼 늘어납니다. 답변이 길어질수록 계산에 드는 노력도 비례해서 커지는 구조가 맞습니다.
챗GPT의 똑똑한 절약법: 캐싱과 병렬 처리
하지만 챗GPT는 그냥 무작정 계산만 하는 게 아닙니다. 이렇게 늘어나는 계산 비용을 똑똑하게 줄여주는 비결이 있습니다. 바로 '캐싱(Caching)'과 '병렬 처리' 같은 기술들을 활용하는 것입니다.
캐싱(Caching): "기억해뒀다가 다시 써먹자!"
캐싱은 쉽게 말해 "자주 쓸 것 같은 정보를 미리 저장해뒀다가 필요할 때 바로 꺼내 쓰는" 기술입니다. 챗GPT는 답변을 한 단어씩 만들 때, 매번 처음부터 모든 계산을 다시 하지는 않습니다.
한 번 계산한 건 기억해요: 챗GPT는 답변의 첫 단어를 만들 때, 질문과 관련해서 수많은 계산을 해요. 이때 계산했던 중간 결과값들(특히 '셀프-어텐션'이라는 중요한 계산 결과)을 메모리 같은 곳에 '저장(캐싱)'해 둡니다.
재활용의 미학: 그리고 다음 단어를 만들 때는, 이전에 저장해둔 계산 결과들을 다시 불러와서 재활용해요. 새로 만들어진 단어에 대한 추가적인 계산만 살짝 덧붙이는 거죠. 마치 수학 문제를 풀 때 복잡한 중간 계산값을 따로 적어두었다가 다음 문제에서 그 값을 다시 활용하는 것과 같아요.
이렇게 하면 불필요한 중복 계산을 확 줄일 수 있어서, 훨씬 빠르고 효율적으로 다음 단어를 예측하고 긴 답변을 완성할 수 있답니다.
병렬 처리: "여러 일을 동시에 처리해요!"
병렬 처리는 여러 계산을 동시에 진행해서 시간을 단축하는 방법입니다. 챗GPT를 움직이는 컴퓨터는 하나씩 순서대로 계산하는 대신, 여러 부분을 동시에 움직여서 훨씬 빠르게 작업을 처리합니다.
결과적으로 챗GPT는 이처럼 영리한 캐싱과 병렬 처리 기법 덕분에, 질문에 대한 답변을 빠르고 효율적으로 생성하며 우리와 유연하게 소통할 수 있게 됩니다.
자, 챗GPT가 답변을 한 단어씩 만들어낼 때 똑똑하게 캐싱(Caching)을 사용해서 중복 계산을 줄인다는 것을 알게 되었습니다. 그럼 완전히 새로운 질문이 들어오거나, 답변을 이어가면서 새로운 단어가 추가될 때는 이 캐싱이 어떻게 작동하는지 궁금하실 거라 생각합니다.
결론부터 말하면, 챗GPT는 매번 새로운 질문이 들어올 때마다 전체 문장(시퀀스)을 다시 처음부터 살펴봅니다. 하지만 그렇다고 모든 계산을 '처음부터 다시'하는 건 아닙니다. 챗GPT의 핵심 기술인 트랜스포머(Transformer) 구조 덕분에 아주 영리하게 작동합니다.
트랜스포머 모델은 'Self-Attention(셀프-어텐션)'이라는 특별한 메커니즘을 사용해서 문장 속 단어들 간의 관계를 파악하고 문맥을 이해합니다. 이 과정에서 Query(질문), Key(열쇠), Value(값)라는 세 가지 중요한 요소가 생성됩니다.
한 번 계산된 Key와 Value는 저장: ChatGPT가 'Hello, how are'라는 첫 입력으로 다음 단어를 예측할 때, 이 부분에 해당하는 Key와 Value 값을 계산해서 캐시(Cache)에 저장해 둡니다. 마치 중요한 참조 자료를 따로 모아두는 것과 같습니다.
새로운 단어가 추가되면? Query만 새로: 이제 'you?'라는 단어를 이어서 예측해야 할 때를 생각해보겠습니다. ChatGPT는 'you?'라는 새로운 단어에 대한 Query만 새로 계산하게 됩니다.
기존 Key와 Value 재활용: 그리고는 이 새로운 Query를, 이전에 캐시에 저장해 두었던 'Hello, how are'에 해당하는 Key와 Value와 함께 사용해서 새로운 단어 'you?'에 대한 문맥적 중요도(어텐션 값)를 계산합니다. 매번 전체 문장을 처음부터 다시 분석할 필요 없이, 이미 분석된 부분은 재활용하는 방법입니다.
이 덕분에 ChatGPT는 새로운 정보가 들어와도 아주 효율적으로 다음 단어를 예측할 수 있습니다.
ChatGPT는 트랜스포머 모델 중에서도 '디코더(Decoder)' 부분만 사용합니다. 이 디코더에는 셀프-어텐션 레이어와 피드-포워드 네트워크 레이어가 포함되어 있는데, 특히 Masked Self-Attention(마스크드 셀프-어텐션)이라는 기술이 중요한 역할을 합니다.
미래는 보지 않아요!: 마스크드 셀프-어텐션은 챗GPT가 다음 단어를 예측할 때, 아직 생성되지 않은 '미래의 단어'를 미리 훔쳐보지 않도록 만들어져 있어요. 오직 현재까지 나온 단어나 이전의 정보만을 가지고 다음 단어를 예측하게 합니다. 이렇게 해야 마치 사람이 말을 하듯이 자연스럽게 순차적인 생성 흐름을 따를 수 있습니다.
여러 겹의 문맥 이해: 챗GPT의 내부에는 여러 개의 디코더 레이어가 겹겹이 쌓여있습니다. 각 레이어는 문맥을 이해하는 데 조금씩 다른 역할을 수행하며, 최종적으로 이 모든 레이어의 정보를 종합하여 가장 적절한 다음 토큰(단어)을 만들어냅니다.
혹시 1000단어를 생성하려면 1000번의 순전파가 필요한데, 이로 인해 속도가 느려지지는 않을까요? 수천에서 수만 개의 토큰을 처리해야 하는 경우에는 시간이 오래 걸릴 수밖에 없습니다.
Transformer 모델은 입력 시퀀스가 길어질수록 Self-Attention 계산량이 O(n²)로 증가하는 특성이 있습니다. 이 모든 복잡한 셀프-어텐션 계산은 GPU(그래픽 처리 장치)와 같은 특별한 컴퓨터 칩 덕분에 엄청나게 빠른 속도로 이루어집니다.
NVIDIA A100, H100 GPU 또는 Google TPU와 같은 고성능 하드웨어는 이러한 연산을 빠르게 처리할 수 있습니다. 예를 들어, OpenAI의 GPT-3는 수십 대의 A100 GPU를 병렬로 활용하여 1000단어를 수초 내에 생성할 수 있습니다.
일반적인 대화 응답의 경우 수십~수백 단어 정도를 1초 내외로 처리할 수 있으며, 이는 GPU 병렬 처리 및 캐싱 기법을 활용하여 수천 개의 요청을 동시에 빠르게 처리할 수 있기 때문입니다.
즉, GPU는 여러 계산을 동시에 처리하는 데 탁월하기 때문에, ChatGPT가 방대한 데이터를 바탕으로 순식간에 복잡한 추론을 해낼 수 있도록 도와주는 핵심적인 역할을 합니다.
지금까지 챗GPT 같은 대규모 AI 모델이 어떻게 똑똑해지고, 질문에 답하는지 자세히 알아봤어요. 뉴런, 가중치, 편향 같은 기본 요소부터 순전파, 역전파를 통한 학습 과정, 그리고 오토레그레시브 추론 방식과 캐싱을 통한 효율성까지 살펴봤습니다.
그렇다면 이런 복잡한 내용들을 우리가 왜 이해해야 할까요? 가장 큰 이유는 바로 챗GPT와 같은 AI 모델이 왜 그렇게 성공적으로 작동하는지, 그리고 우리가 어떻게 하면 AI를 더 잘 활용할 수 있는지 그 비밀을 알 수 있기 때문입니다.
AI 성공의 핵심: 효율적인 '배움'과 '활용'
챗GPT가 놀라운 성능을 내는 것은 그저 데이터만 많이 먹어서가 아닙니다.
학습 과정: 방대한 데이터를 통해 최적의 가중치와 편향이라는 '지식'을 찾아내고 배우는 과정이 매우 효율적으로 설계되어 있어요. 마치 수많은 문제지를 풀고 오답 노트를 완벽하게 정리해서 시험을 잘 보게 된 것과 같습니다.
추론 과정: 그리고 이렇게 어렵게 배운 지식(파라미터)을 새로운 질문에 답할 때 빠르고 정확하게 활용하는 능력이 뛰어납니다. '한 단어씩 예측하며 캐싱하는' 방식이 그 비결이었습니다.
이처럼 '잘 배우고' (학습) '잘 활용하는' (추론) 과정이 효율적으로 맞물려 있기 때문에 챗GPT가 현재의 성공을 거둘 수 있었습니다.
기술적 이해는 AI 활용의 기본!
신경망의 학습과 추론 과정을 깊이 들여다보면, 단순한 계산 성능을 넘어 하드웨어 최적화, 셀프-어텐션 메커니즘, 그리고 캐싱과 같은 혁신적인 기술들이 복합적으로 사용되고 있음을 알 수 있습니다.
이러한 기술적 원리를 이해하는 것은 AI 모델을 단순한 도구로 사용하는 것을 넘어섭니다. 우리가 이 기술들을 이해할 때 비로소,
AI 모델을 더 효과적으로 활용할 수 있는 통찰력을 얻게 됩니다. (예: 어떤 질문을 던져야 좋은 답변을 얻을 수 있을까? 긴 답변이 필요한 경우 어떤 점을 고려해야 할까?)
나아가 AI가 앞으로 어떻게 발전할지 예측하고, 우리 업무나 생활에 더 나은 AI 응용 전략을 세울 수 있는 중요한 기초를 마련하게 됩니다.
하나 예시를 들어보겠습니다.
잘못된 예 - 무작정 긴 답변 요구: "인공지능의 역사부터 최신 기술 동향까지 모든 것을 자세히 알려줘."
분석 - 너무 방대하여 모델이 한 번에 완벽한 답변을 생성하기 어렵고, 경우에 따라 답변의 일관성이 떨어질 수 있습니다.
잘된 예 - 개선된 요구: "인공지능의 역사에 대해 간략하게 요약해줘." (1차 질문) → "그럼, 딥러닝의 등장 배경은 무엇이었니?" (2차 질문) → "최근 AI 기술 동향 중 생성형 AI에 대해 더 자세히 설명해 줄 수 있을까?" (3차 질문)
분석 - 이렇게 질문을 여러 번으로 나누어 대화의 맥락을 점진적으로 확장하면, 챗GPT는 매번 새로운 '전체 시퀀스'를 너무 길게 가져가지 않고도 효율적으로 이전 맥락을 재활용하며 더 정확하고 깊이 있는 답변을 단계별로 제공할 수 있습니다. 이는 챗GPT의 캐싱 메커니즘을 최대한 활용하고, 복잡한 답변으로 인한 '정보 손실' 위험을 줄이는 현명한 방법이죠.
신경망 학습과 추론에 대한 이해는 단순히 기술적인 지식을 넘어서, 인공지능 시대에 우리가 AI와 더 깊이 소통하고, 그 무한한 가능성을 최대한으로 끌어낼 수 있는 중요한 열쇠가 될 것입니다.