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AI·머신러닝·딥러닝·LLM의 관계

AI, Machine Learning, Deep Learning, and LLMs

CS#ai · 연결된 개념 4개

쉽게 말하면

AI·머신러닝·딥러닝·LLM은 양파 껍질처럼 바깥이 안쪽을 감싸는 관계예요. 손글씨 '8'을 알아보는 규칙을 직접 짜는 대신 예시를 잔뜩 보여 주고 패턴을 배우게 하는 게 머신러닝이고, LLM은 가장 안쪽 층이에요.

비유의 한계 양파 비유는 범위만 보여 주고 작동 방식은 말해 주지 않아요. LLM은 다음 토큰을 확률로 골라 붙이며 문장을 만들어서, 같은 질문에도 답이 달라지고 그럴듯하지만 틀린 환각을 낼 수 있어요.

AI(Artificial Intelligence, 인공지능)는 가장 넓은 개념이고, 그 안에 데이터에서 패턴을 배우는 머신러닝(Machine Learning), 그 안에 신경망(Neural Network)을 깊게 쌓는 딥러닝(Deep Learning), 그 안에 사람의 언어를 다루는 LLM(Large Language Model, 대규모 언어 모델)이 있다.

AI
└─ 머신러닝: 데이터에서 패턴을 학습
   └─ 딥러닝: 여러 층의 신경망으로 비정형 데이터(이미지·텍스트·음성) 학습
      └─ LLM: 대량의 텍스트로 다음 토큰을 예측하도록 학습한 언어 모델

머신러닝의 학습 방식

손글씨 '8'을 알아보는 규칙을 직접 짜기는 불가능에 가깝다. 대신 많은 예시를 보여 주고 패턴을 배우게 한다.

  • 지도 학습(Supervised Learning): 사람이 정답(라벨)을 붙인 데이터로 배운다. 스팸 분류, 숫자 인식
  • 비지도 학습(Unsupervised Learning): 라벨 없이 데이터 안의 구조를 스스로 찾는다. 취향이 비슷한 사용자 묶기
  • 강화 학습(Reinforcement Learning): 행동을 해 보고 목표에 가까워지면 보상을 받아 전략을 배운다. 바둑 AI가 대표적이다

딥러닝

사람 뇌의 뉴런에서 착안한 신경망을 여러 층 쌓는다. 앞쪽 층은 가장자리 같은 단순한 특징을, 뒤쪽 층은 모양 같은 복잡한 특징을 잡아 비정형 데이터를 다룬다.

LLM과 트랜스포머

  • 인터넷 문서와 책으로 자기 지도 학습(Self-Supervised Learning)을 한다. 문장의 다음 토큰을 맞히는 문제로 스스로 정답을 만든다
  • GPT는 Generative(생성), Pre-trained(사전 학습), Transformer(구조)의 줄임말이다
  • 트랜스포머는 2017년 구글 연구진의 논문 "Attention Is All You Need"에서 나왔다. 어텐션(Attention)은 문장 안의 각 토큰이 다른 토큰과 얼마나 관련 있는지를 한꺼번에 계산하는 방식이라, 긴 문맥을 병렬로 처리할 수 있다
  • 텍스트 말고 이미지·음성까지 함께 받는 모델은 멀티모달 모델이라고 부른다
  • 컨텍스트 윈도우(Context Window)는 한 번에 넣을 수 있는 토큰의 최대 수다. 이 범위를 넘는 내용은 잘라 내거나 요약해야 하고, 빠진 부분은 모델이 보지 못한다 → LLM 사용 습관

한 토큰이 나오기까지

GPT 같은 생성형 LLM은 트랜스포머의 디코더 부분만 쓴다. 문장 하나를 넣으면 다음 흐름으로 다음 토큰 하나를 고른다.

텍스트 → 토큰화(Tokenization): 단어·하위 단어 조각으로 자르고 번호를 매김
       → 임베딩(Embedding): 토큰마다 벡터로 바꾸고 위치 정보를 더함
       → 트랜스포머 블록 × N: 마스크드 셀프 어텐션(앞 토큰만 봄) + MLP(Multi-Layer Perceptron)
       → 로짓(Logit): 어휘 전체에 대한 점수
       → 소프트맥스(Softmax): 확률로 바꿈 → 온도(Temperature) 등으로 하나를 고름

고른 토큰을 입력 끝에 붙여 다시 돌리기를 반복해 문장을 만든다. 같은 질문에도 답이 조금씩 달라지는 것은 마지막에 확률로 고르기 때문이다. 트랜스포머 블록을 GPT-2 크기 모델로 직접 만져 보려면 Transformer Explainer, 원 논문의 인코더-디코더 구조를 그림으로 따라가려면 The Illustrated Transformer가 좋다. 임베딩으로 의미가 가까운 문서를 찾는 쓰임은 RAG (검색 증강 생성)에서 다룬다.

LLM은 이렇게 배운 확률로 답을 만들기 때문에 그럴듯하지만 틀린 답(환각, Hallucination)을 낼 수 있다. 결과를 검증하는 습관은 AI 시대 변경에 대한 책임 질문에서 다룬다.

출처: Succeed in the Age of AI Angela Yu (Udemy 강의) · Attention Is All You Need Vaswani et al. (2017)

참고: Transformer Explainer Georgia Tech Polo Club · The Illustrated Transformer Jay Alammar

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