파운데이션 모델이란?

(참조 자료: What is a Foundation Model?)

파운데이션 모델이란?

파운데이션 모델은 방대한 양의 일반 데이터로 학습된 강력한 인공 지능(AI)의 유형으로, 광범위한 작업을 처리할 수 있습니다. OpenAI의 GPT(Generative Pre-trained Transformer) 시리즈나 Google의 BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers)와 같은 파운데이션 모델은 인터넷의 다양한 소스에서 일반적인 언어 패턴과 지식을 수집하도록 설계되었습니다. 그런 다음 이러한 모델을 소규모의 작업별 데이터 세트에 맞게 파인튜닝하여 텍스트 분류, 요약, 번역, 질문 답변 등과 같은 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 파인튜닝을 통해 새로운 AI 애플리케이션을 더 빠르고 저렴하게 개발할 수 있습니다.

파운데이션 모델과 그 내부 작동 방식과 학습 과정, 그리고 실제 적용 사례에 대해 자세히 소개하도록 하겠습니다.

파운데이션 모델은 어떻게 작동되는가?

GPT나 BERT와 같은 트랜스포머 아키텍처 기반 모델과 같은 파운데이션 모델은 다양한 데이터 세트에 대한 광범위한 사전 학습과 특정 작업에 대한 파인튜닝을 통해 작동됩니다. 다음은 이러한 모델이 어떻게 작동되는지에 대해 소개하도록 하겠습니다.

사전 훈련(Pre-Training)

• 데이터 수집(Data Collection): 파운데이션 모델은 책, 웹사이트, 기사를 비롯한 다양한 텍스트 소스로부터 대규모의 다양한 데이터 세트를 학습하게 됩니다. 이를 통해 모델은 다양한 언어 패턴, 스타일 및 정보를 학습할 수 있습니다.
• 학습 목표(Learning Objectives): 사전 훈련 과정에서 모델은 일반적으로 텍스트의 다른 부분이 주어지면 그 부분을 예측하도록 훈련되는데요, 예를 들어, GPT의 경우 모델은 이전 단어가 주어지면 문장의 다음 단어를 예측하게 됩니다 (자동 회귀 훈련(Autoregressive Training)이라고 알려진 프로세스). 반면에 BERT는 입력의 일부 단어가 무작위로 마스킹되고, 모델은 마스킹되지 않은 다른 단어가 제공하는 문맥을 기반으로 이러한 마스킹된 단어를 예측하는 방법을 학습하는 마스크 언어 모델 접근 방식을 사용합니다.
• 모델 아키텍처(Model Architecture): 이 모델에 사용되는 트랜스포머 아키텍처는 셀프 어텐션(Self-attention) 매커니즘에 크게 의존하게 됩니다. 이를 통해 모델은 문장이나 문서에서 단어의 위치에 관계없이 각 단어의 중요도를 평가하여 문맥과 단어 간의 관계를 효과적으로 이해할 수 있습니다.

파인튜닝(Fine-Tuning)

• 작업별 특화된 데이터(Task-Specific Data): 사전 학습 후, 더 작은 작업별로 특화된 데이터 세트로 모델을 파인튜닝할 수 있습니다. 예를 들어, 감정 분석 작업의 경우 감정으로 레이블이 지정된 텍스트 샘플의 데이터 세트에 대해 모델을 파인튜닝할 수 있습니다.
• 모델 조정(Adjusting the Model:): 파인튜닝 중에 특정 작업에서 더 나은 성능을 발휘하도록 전체 모델 또는 일부가 약간 조정될 수 있습니다. 이 과정에는 모델을 더 훈련시키는 작업이 포함되지만, 위 경우에는 감정 분류나 질문에 대한 답변과 같은 작업별 목표를 염두에 두고 진행됩니다.
• 전문화(Specialization): 이 단계에서는 사전 학습 중에 습득한 일반적인 능력을 특정 작업 또는 도메인의 특정 요구 사항과 뉘앙스에 맞게 조정하여 동일한 작업에 대해 처음부터 모델을 학습하는 것에 비해 성능을 크게 향상시킵니다.

배포(Deployment)

• 사용 배포(Deployment for Use): 파인튜닝이 완료되면 가상 비서와 챗봇부터 시작해서 자동 번역, 콘텐츠 생성 도구에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 파운데이션 모델을 배포할 수 있습니다.

파운데이션 모델의 유형과 예시

파운데이션 모델은 아키텍처, 훈련 목표와 애플리케이션이 매우 다양하며, 각 모델은 학습과 데이터와의 상호 작용의 다양한 측면을 활용하도록 맞춤화되어 있습니다. 다음은 다양한 유형의 파운데이션 모델에 대한 자세한 설명입니다:

자동 회귀 모델(Autoregressive Model)

GPT 시리즈(GPT-2, GPT-3, GPT-4)와 XLNet과 같은 자동 회귀 모델은 이전의 모든 단어가 주어진 시퀀스에서 다음 단어를 예측하는 훈련 방식을 사용합니다. 이 훈련 방법을 통해 이러한 모델은 일관성 있고 맥락에 맞는 텍스트를 생성할 수 있으며, 이는 특히 창의적인 글쓰기, 챗봇과 개인화된 고객 서비스 상호 작용에 유용합니다.

오토인코딩 모델(Autoencoding Models)

BERT와 RoBERTa를 포함한 오토인코딩 모델은 일반적으로 훈련 중에 모델에서 임의의 토큰을 숨기는 마스크드 언어 모델링(Masked Language Modeling)이라는 기술을 사용하여 먼저 입력을 손상시켜 입력을 이해하고 재구성하도록 훈련합니다. 그런 다음 모델은 문맥만을 기반으로 누락된 단어를 예측하는 방법을 학습합니다. 이러한 능력은 언어 구조를 이해하고 텍스트 분류, 개체 인식, 질문 답변과 같은 애플리케이션을 이해하는 데 매우 효과적입니다.

인코더-디코더 모델(Encoder-Decoder Models)

T5 (Text-to-Text Transfer Transformer) 및 BART와 같은 인코더-디코더 모델은 입력 텍스트를 출력 텍스트로 변환할 수 있는 다목적 툴입니다. 이러한 모델은 입력 시퀀스를 잠재 공간으로 인코딩한 다음 출력 시퀀스로 디코딩하는 방법을 학습하여 요약, 번역, 텍스트 수정과 같은 복잡한 작업을 처리하는 데 특히 능숙합니다. 이러한 학습에는 다양한 텍스트 to 텍스트 변환 작업이 포함되는 경우가 많기 때문에 여러 도메인에 걸쳐 폭넓게 적용할 수 있습니다.

멀티모달 모델(Multimodal Models)

CLIP(OpenAI의)와 DALL-E와 같은 멀티모달 모델은 텍스트와 이미지 등 다양한 데이터 유형에 걸쳐 있는 콘텐츠를 처리하고 생성하도록 설계되었습니다. 이러한 모델은 멀티모달 콘텐츠를 이해하고 생성함으로써 이미지 캡션, 텍스트 기반 이미지 검색, 텍스트 설명에서 이미지 생성 등 이미지와 텍스트 설명 간의 관계를 해석하는 작업에 매우 유용하게 활용됩니다.

검색 증강 모델(Retrieval-Augmented Models)

검색 증강 모델(예: RETRO (Retrieval-Enhanced Transformer))은 외부 지식 검색 프로세스를 통합하여 기존 언어 모델의 기능을 향상시키게 됩니다. 이 접근 방식을 사용하면 예측 단계에서 모델이 대규모 데이터베이스나 말뭉치에서 관련 데이터를 가져와 더 많은 정보를 바탕으로 정확한 결과를 도출할 수 있습니다. 이 모델은 특히 질문 답변이나 콘텐츠 검증과 같이 사실에 대한 정확성과 깊이가 필요한 애플리케이션에 효과적입니다.

시퀀스 투 시컨스 모델(Sequence-to-Sequence Models)

Google의 트랜스포머나 Facebook의 BART와 같은 시퀀스 투 시퀀스 (seq2seq) 모델은 입력 시퀀스를 밀접하게 관련된 출력 시퀀스로 변환해야 하는 작업을 처리합니다. 이러한 모델은 전체 콘텐츠 또는 그 의미를 정확하게 파악하여 다른 형태로 전달해야 하는 기계 번역이나 문서 요약의 기초가 됩니다.

이같이 각 유형의 파운데이션 모델은 각각의 고유한 학습이나 운영 설계 덕분에 특정 작업에 고유하게 적합합니다. 다음 섹션에서는 몇 가지 사용 사례를 통해 파운데이션 모델의 기능에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

파운데이션 모델의 활용 사례

파운데이션 모델은 대규모 데이터 세트에서 학습할 수 있는 적응성과 역량으로 다양한 산업을 변화시키고 있습니다. 다음은 몇 가지 흥미로운 예시입니다:

• 자연어 처리(NLP): 파운데이션 모델은 많은 NLP 애플리케이션의 근간이 되는데요, 기계 번역을 구동하여 여러 언어 간에 원활한 커뮤니케이션을 가능하게 합니다. 또한 감정 분석(텍스트의 감정적 어조 이해)이나 챗봇 개발과 같은 작업에서 인간과 컴퓨터 간의 보다 자연스러운 상호 작용을 위해 사용할 수도 있습니다.
• 콘텐츠 제작(Content Creation): 파운데이션 모델은 시와 대본에서 마케팅 카피에 이르기까지 다양한 텍스트를 창작하여 콘텐츠 제작자와 마케터를 지원할 수 있습니다.
• 이미지 및 비디오 분석(Image and Video Analysis): 시각적 영역에서 파운데이션 모델은 이미지 및 비디오 분석에 탁월합니다. 보안 카메라의 물체 감지, 의사를 돕기 위한 의료 이미지 분석, 영화에서 사실적인 특수 효과를 생성하는 등의 작업에 사용할 수 있습니다.
• 과학적 발견(Scientific Discovery): 이 모델은 대규모 데이터 세트를 분석하여 기존 방법으로는 놓칠 수 있는 패턴과 관계를 파악함으로써 과학적 연구를 가속화할 수 있습니다. 이러한 기능은 신약 개발, 재료 과학 또는 기후 변화 연구에 도움이 될 수 있습니다.
• 자동화(Automation): 파운데이션 모델은 문서 요약이나 데이터 입력과 같은 반복적인 작업을 자동화하여 더 복잡한 작업을 위한 시간을 확보할 수 있습니다.

이는 파운데이션 모델의 활용 사례 중 일부에 불과하며, 연구자들이 새로운 가능성을 모색함에 따라 잠재적인 응용 분야는 지속적으로 확장되고 있습니다. 파운데이션 모델은 다양한 산업과 일상생활을 변화시킬 수 있는 엄청난 가능성을 지니고 있습니다.

 

파운데이션 모델 훈련 방법

파운데이션 모델 훈련은 상당한 컴퓨팅 리소스와 전문 지식이 필요한 복잡한 작업입니다. 주요 단계를 간단하게 아래와 같이 소개합니다.

1. 데이터 수집과 준비(Data Collection and Preparation): 그 기반은 데이터를 기반으로 합니다. 원하는 작업과 관련된 방대한 양의 레이블이 지정되지 않은 데이터가 수집됩니다. 이러한 데이터는 거대 언어 모델 (LLM)의 경우 텍스트, 컴퓨터 비전 모델의 경우에는 이미지, 그리고 멀티모달 모델의 경우 텍스트와 이미지들의 조합일 수 있습니다. 데이터의 품질과 일관성을 보장하기 위해 데이터를 정리하고 전처리하는 것이 매우 중요합니다.
2. 모델 아키텍처와 선택(Model Architecture and Selection): 선택하는 파운데이션 모델 유형은 데이터와 작업에 따라 다릅니다. 일단 선택하면 모델 아키텍처는 대규모 데이터 집합을 효과적으로 처리하도록 파이뉸됩니다.
3. 자기 주도 학습(Self-Supervised Learning): 바로 여기서 마법이 일어납니다. 레이블이 지정된 데이터를 사용하는 지도 학습과 달리 파운데이션 모델은 자기 지도 학습 기법을 활용합니다. 이 경우에는 모델 자체가 레이블이 지정되지 않은 데이터에서 작업과 레이블을 생성하여 학습하게 되는데요, 여기에는 텍스트 데이터의 시퀀스에서 다음 단어를 예측하거나 이미지에서 누락된 부분을 식별하는 등의 작업이 포함됩니다.
4. 훈련과 최적화(Training and Optimization): 모델은 GPU 또는 TPU와 같은 강력한 컴퓨팅 리소스를 사용하여 준비된 데이터에 대해 학습됩니다. 모델 크기와 데이터 세트의 복잡성에 따라 이 훈련 과정은 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있는데요, 모델의 성능을 최적화하기 위해 Gradient descent과 같은 기법이 사용됩니다.
5. 평가와 향상(Evaluation and Refinement): 학습 후에는 벤치마크 데이터 세트나 특정 작업에서 모델의 성능을 평가합니다. 결과가 이상적이지 않은 경우, 하이퍼파라미터를 조정하거나 품질 개선을 위해 데이터 준비 단계로 돌아가 모델을 더욱 세분화할 수 있습니다.

파운데이션 모델을 훈련하는 것은 지속적인 과정이라는 점에 유의해야 합니다. 연구원들은 모델 성능과 성숙도를 향상시키기 위해 데이터 처리, 모델 아키텍처, 자기 지도 학습 작업에 대한 새로운 기술을 끊임없이 탐구하고 있습니다.

파운데이션 모델의 장점

파운데이션 모델은 다양한 영역에서 널리 채택되고 사용되는 데 기여하는 상당한 이점을 제공합니다. 몇 가지 주요 장점을 자세히 살펴보세요:

• 다용도성과 적응성(Versatility and Adaptability): 기존의 좁게 초점을 맞춘 AI 모델과 달리 파운데이션 모델은 다용도로 사용할 수 있습니다. 해당 도메인(텍스트, 이미지 등) 내에서 다양한 작업에 맞게 미세 조정할 수 있으며, 심지어 멀티모달 모델의 경우 여러 도메인에 걸쳐 조정할 수도 있습니다. 이러한 유연성은 각 특정 작업에 대해 처음부터 새 모델을 구축하는 것에 비해 시간과 리소스를 절약할 수 있습니다.
• 효율성과 비용 효율성(Efficiency and Cost-Effectiveness): 사전 학습된 파운데이션 모델은 개발자에게 확실한 출발점을 제공합니다. 특정 작업에 맞게 모델을 미세 조정하는 것이 완전히 새로운 모델을 처음부터 학습시키는 것보다 더 빠르고 계산 비용이 적게 드는 경우가 많습니다. 이러한 효율성은 비용 절감과 개발 주기 단축으로 이어집니다.
• 향상된 성능(Improved Performance): 파운데이션 모델은 대량의 데이터 세트에 대한 대규모 학습으로 인해 다양한 작업에서 기존 모델보다 뛰어난 성능을 발휘하는 경우가 많습니다. 기계 번역, 이미지 인식 또는 텍스트 요약 작업에서 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
• AI의 민주화(Democratization of AI): 사전 학습된 파운데이션 모델을 사용할 수 있으므로 AI 개발의 진입 장벽이 낮아집니다. 대규모 컴퓨팅 리소스에 액세스할 수 없는 소규모 기업이나 연구원도 이러한 모델을 활용하여 혁신적인 AI 애플리케이션을 개발할 수 있습니다.
• 과학적 발견의 가속화(Acceleration of Scientific Discovery): 파운데이션 모델은 방대한 과학 데이터 세트를 분석하여 기존 방법으로는 놓칠 수 있는 숨겨진 패턴과 그 관계를 발견할 수 있습니다. 이 기능은 신약 개발, 재료 과학 또는 기후 변화 연구와 같은 분야에서 과학적 진보를 크게 가속화할 수 있습니다.

파운데이션 모델이 맞닥뜨린 과제

파운데이션 모델은 뛰어난 기능에도 불구하고 전 세계 연구자들이 적극적으로 해결하기 위해 노력하고 있는 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 과제들입니다.

• 데이터 편향성과 공정성(Data Bias and Fairness): 파운데이션 모델은 학습된 기존 데이터에 존재했던 편향성을 그대로 이어받을 수 있습니다. 이로 인해 차별적이거나 불공정한 결과가 나올 수 있는데요, 이러한 편향성을 완화하려면 신중한 데이터 선택, 큐레이션, 보다 공정한 학습 알고리즘 개발이 필요합니다.
• 설명 가능성과 해석 가능성(Explainability and Interpretability): 파운데이션 모델이 어떻게 결과물에 도달하는지 이해하는 것은 어려울 수 있습니다. 이러한 투명성 부족은 잠재적인 오류나 편견을 식별하고 해결하기 어렵게 만듭니다. 이러한 모델을 보다 해석하기 쉽게 만드는 방법을 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다.
• 연산 리소스(Computational Resources): 파운데이션 모델을 훈련하고 실행하려면 GPU나 TPU와 같은 상당한 연산 능력과 리소스가 필요합니다. 따라서 이러한 인프라에 액세스할 수 없는 소규모 기업이나 연구자에게는 접근성이 제한될 수 있습니다.
• 보안과 개인 정보 관련 이슈(Security and Privacy Concerns): 파운데이션 모델을 학습하는 데 사용되는 방대한 양의 데이터는 데이터 유츌에 대한 보안과 개인정보 보호 문제를 야기합니다. 악의적인 공격자는 학습 데이터나 모델 자체의 취약점을 악용할 수 있습니다. 강력한 보안 조치와 책임감 있는 데이터 처리 관행을 보장하는 것이 중요합니다.
• 환경 영향(Environmental Impact): 이러한 모델을 훈련하는 데는 상당한 양의 에너지가 소모될 수 있습니다. 보다 에너지 효율적인 훈련 방법을 개발하고 재생 가능한 에너지원을 사용하는 것은 파운데이션 모델을 지속 가능하게 배포하기 위한 중요한 고려 사항입니다.

결론

파운데이션 모델은 AI 기능의 획기적인 도약을 가져다 줍니다. 다용도성, 효율성, 방대한 양의 데이터를 통한 학습 능력은 다양한 산업과 일상생활을 변화시킬 차세대 지능형 애플리케이션의 기반을 닦고 있습니다.