Small Language Models

대규모 언어 모델은 수백억에서 수조 개에 달하는 방대한 매개변수를 가진 모델로, 광범위한 일반 지식과 다양한 작업 수행 능력을 갖추는 것을 목표로 한다. 반면 Small Language Models는 수억에서 수십억 개 수준의 비교적 적은 매개변수를 가지며, 연산 자원 요구량이 적고 응답 속도가 빠르다는 특징이 있다.

주요 차이점은 모델의 규모와 그에 따른 능력 및 배포 환경에 있다. 대규모 언어 모델은 클라우드 컴퓨팅 서버와 같은 고성능 인프라에서 실행되어야 하며, 복잡한 추론이나 창의적인 콘텐츠 생성에 강점을 보인다. 이에 비해 Small Language Models는 엣지 컴퓨팅 환경이나 개인용 스마트폰, 노트북과 같은 온디바이스 AI에서도 효율적으로 실행될 수 있다.

또한 학습 및 활용 측면에서도 차이가 나타난다. 대규모 언어 모델은 방대한 양의 일반 웹 데이터를 기반으로 사전 학습되어 범용성을 추구한다. Small Language Models는 고품질의 선별된 데이터나 특정 도메인 데이터에 집중적으로 학습되거나, 대규모 모델의 지식을 지식 증류 기술로 전수받아 특정 작업에 최적화된다. 따라서 코드 생성이나 고객 응답 자동화와 같은 특정 업무에 맞춰 미세 조정하기에 더 용이하다.

결과적으로, 두 모델은 상호 보완적인 관계에 있다고 볼 수 있다. 대규모 언어 모델은 복잡하고 일반적인 작업을 처리하는 데 적합한 반면, Small Language Models는 리소스가 제한된 환경이나 실시간 응답이 요구되거나 특화된 업무를 효율적으로 처리해야 하는 분야에서 그 가치를 발휘한다.

소규모 언어 모델은 매개변수가 수억에서 수십억 개 수준으로 비교적 적어, 대규모 언어 모델에 비해 몇 가지 뚜렷한 장점을 가진다. 가장 큰 장점은 효율성이다. 연산 자원 요구량이 적기 때문에 학습과 추론에 필요한 GPU나 TPU 같은 고성능 하드웨어에 대한 의존도가 낮다. 이로 인해 전력 소비가 적고, 응답 속도가 빠르며, 컴퓨팅 비용을 크게 절감할 수 있다. 이러한 효율성은 곧 접근성의 향상으로 이어진다.

접근성 측면에서 소규모 언어 모델은 리소스가 제한된 환경에서의 배포를 가능하게 한다. 대규모 클라우드 컴퓨팅 인프라에 의존하지 않고도 스마트폰, 노트북, 엣지 디바이스 같은 개인용 장치에서 직접 실행되는 온디바이스 AI의 실현을 앞당기고 있다. 이는 사용자 개인정보 보호를 강화하고, 네트워크 연결이 불안정한 환경에서도 인공지능 기능을 사용할 수 있게 한다.

마지막으로 특화 가능성이 주요 장점이다. 모델 크기가 작기 때문에 특정 작업에 맞춰 미세 조정하기가 상대적으로 용이하다. 예를 들어, 특정 산업의 전문 용어를 이해하거나, 코드 생성, 고객 응답 자동화 같은 구체적인 업무에 최적화된 모델을 개발하는 데 유리하다. 이는 범용적인 대규모 언어 모델이 가진 일반성과는 다른, 깊이 있는 전문성을 제공할 수 있는 길을 열어준다.

Small Language Models는 대규모 언어 모델에 비해 매개변수 규모가 작아 여러 장점을 가지지만, 그로 인해 몇 가지 명확한 한계를 보인다. 가장 두드러진 한계는 일반 지식과 사실적 정확성의 부족이다. 모델의 규모가 작다는 것은 학습 과정에서 다루는 데이터의 양과 다양성이 제한적일 수 있음을 의미한다. 이로 인해 대규모 언어 모델이 광범위한 인터넷 데이터를 바탕으로 축적하는 포괄적인 세계 지식이나 상식적 추론 능력을 동일한 수준으로 갖추기 어렵다. 따라서 특정 주제에 대한 질문이나 복잡한 사실 관계를 다루는 작업에서 정보가 부정확하거나 오래된 경우가 발생할 수 있다.

또 다른 중요한 한계는 창의성과 일반화 능력의 제약이다. Small Language Models는 주로 특정 작업에 맞춰 미세 조정되어 뛰어난 성능을 보이지만, 이는 동시에 훈련된 범위를 벗어난 새로운 유형의 질문이나 창의적인 글쓰기, 복잡한 논리적 추론을 요구하는 상황에서는 한계를 드러낸다. 예를 들어, 긴 이야기를 일관성 있게 구성하거나 완전히 새로운 개념을 융합하는 등의 작업은 더 큰 규모의 모델에 비해 부자연스럽거나 단순한 결과를 낳을 가능성이 높다.

이러한 한계는 모델의 설계 목적과 직접적으로 연결된다. Small Language Models는 연산 자원이 적은 엣지 컴퓨팅 환경이나 특정 업무 자동화에 최적화되어 개발되며, 모든 분야에 걸친 범용적 지능을 추구하기보다는 효율성과 특화된 성능에 중점을 둔다. 따라서 사용자는 이러한 모델을 도입할 때, 자신의 사용 사례가 모델의 강점인 빠른 응답과 효율적인 자원 사용과 부합하는지, 그리고 한계인 일반 지식과 창의성 요구를 얼마나 받는지를 고려해야 한다.

Phi 시리즈는 마이크로소프트 연구팀이 개발한 일련의 소규모 언어 모델이다. 이 시리즈는 적은 매개변수(수억에서 수십억 개 수준)로도 놀라운 성능을 보이는 것을 목표로 하며, 특히 고품질의 '교과서 수준' 데이터를 선별하여 학습시키는 방법론으로 주목받았다. 초기 모델인 Phi-1은 파이썬 코딩에 특화되었고, 후속 모델들은 일반적인 추론 능력까지 확장되었다.

가장 대표적인 모델인 Phi-2는 27억 개의 매개변수를 가졌음에도 불구하고, 훨씬 큰 규모의 일부 모델들과 견줄 만한 논리적 추론 및 언어 이해 성능을 보여주었다. 이 모델의 핵심은 방대하고 정제되지 않은 인터넷 데이터 대신, 고품질의 교과서, 위키백과 기사, 논리 퍼즐 등으로 구성된 정제된 데이터셋을 학습에 사용한 것이다. 이 접근법은 데이터의 '양'보다 '질'이 모델 성능에 중요할 수 있음을 시사했다.

Phi 시리즈는 온디바이스 AI와 같은 엣지 컴퓨팅 환경에 적합하며, 개인용 컴퓨터나 스마트폰과 같은 리소스가 제한된 장치에서도 효율적으로 실행될 수 있다. 마이크로소프트는 이 모델들을 오픈소스로 공개하여 연구 커뮤니티와 개발자들의 접근성을 높였고, 이를 통해 특정 업무 자동화나 연구용으로의 활용을 촉진하고 있다.

구글이 2024년 2월에 공개한 경량 대규모 언어 모델 시리즈이다. 매개변수 규모는 20억 개와 70억 개 두 가지 버전으로 출시되어, 비교적 적은 연산 자원으로도 고성능을 낼 수 있도록 설계되었다. 이 모델은 구글의 대형 모델인 Gemini의 기술과 인프라를 기반으로 개발되었으며, 연구자와 개발자들이 접근하기 쉽도록 오픈 소스로 공개되었다.

Gemma는 효율성과 접근성을 핵심 목표로 한다. 모델의 크기가 상대적으로 작기 때문에 연산 자원 요구량이 적고, 이로 인해 응답 속도가 빠르며 개인용 컴퓨터나 엣지 컴퓨팅 장치에서도 실행이 가능하다. 또한 특정 작업에 맞춰 미세 조정하기 용이하여, 코드 생성이나 고객 응답 자동화와 같은 특화된 업무에 적용하기 좋다.

구글은 Gemma 모델의 책임 있는 사용을 장려하기 위해 책임 있는 AI 도구 키트를 함께 배포했다. 이 모델은 연구 및 교육 목적으로 널리 활용되고 있으며, 리소스가 제한된 환경에서도 고품질의 자연어 처리 기능을 제공할 수 있는 대표적인 소형 언어 모델 사례로 자리 잡았다.

메타의 Llama 3 모델군에는 대규모 버전과 함께 매개변수가 80억 개와 700억 개 규모의 보다 작은 변형 모델이 포함되어 있다. 이들 변형은 원래의 거대 모델과 동일한 핵심 아키텍처와 사전 학습 방법론을 공유하지만, 모델 크기를 축소하여 배포와 활용의 효율성을 극대화하도록 설계되었다. 특히 80억 매개변수 규모의 Llama 3 8B 모델은 온디바이스 AI나 엣지 컴퓨팅과 같은 리소스가 제한된 환경에서의 실행을 주요 목표로 한다.

이러한 작은 변형 모델의 주요 장점은 상대적으로 적은 연산 자원으로도 빠른 추론 속도를 제공한다는 점이다. 이는 개인용 스마트폰이나 노트북 같은 장치에서도 실시간에 가까운 인공지능 응답을 가능하게 하며, 서버 의존도를 줄이고 사생활 보호 측면에서도 유리한 환경을 조성한다. 또한, 특정 도메인이나 업무에 맞춘 미세 조정이 더 용이하여, 맞춤형 비즈니스 솔루션이나 연구용 도구로의 활용 가능성을 높인다.

메타는 Llama 3의 이러한 작은 변형 모델들도 대규모 버전과 마찬가지로 오픈소스 라이선스로 공개하여, 개발자와 연구자 커뮤니티가 자유롭게 사용, 수정 및 배포할 수 있도록 했다. 이는 Gemma나 Phi 시리즈와 함께 소형 언어 모델 생태계의 활성화와 표준화에 기여하고 있으며, 다양한 응용 분야에서의 실험과 혁신을 촉진하고 있다.

마이크로소프트의 Phi 시리즈, 구글의 Gemma, 메타의 Llama 3 작은 변형 외에도, 다양한 기관과 커뮤니티에서 활발히 개발 중인 오픈소스 Small Language Models이 존재한다. 예를 들어, 딥시크의 DeepSeek-Coder 모델은 코드 생성에 특화된 소형 모델로 주목받았으며, 스탠포드 대학교 연구팀의 Alpaca는 Llama 모델을 기반으로 저비용으로 고성능을 구현한 초기 사례이다. 또한 미스트랄 AI는 Mixtral 모델과 함께 효율적인 MoE 아키텍처를 적용한 소형 모델을 선보이기도 했다.

이러한 모델들은 대부분 허깅페이스나 깃허브 같은 플랫폼을 통해 공개되어, 누구나 쉽게 다운로드하고 실험할 수 있다. 이는 Small Language Models 생태계의 빠른 성장과 혁신을 촉진하는 주요 동력으로 작용한다. 개발자와 연구자들은 이러한 모델들을 기반으로 자신의 데이터로 미세 조정을 하거나, 특정 도메인에 최적화된 새로운 모델을 구축하는 데 활용하고 있다.

이처럼 다양한 오픈소스 Small Language Models의 등장은 인공지능 기술의 민주화를 가속화하고, 더 많은 개발자와 기업이 리소스 제약 없이 자연어 처리 기술을 접하고 활용할 수 있는 기반을 마련한다는 점에서 큰 의미를 지닌다.

고품질 데이터 선별 학습은 소규모 언어 모델의 성능을 결정하는 핵심 요소이다. 이 접근법은 방대한 양의 데이터를 무차별적으로 학습시키는 대신, 신중하게 선별된 고품질의 데이터셋을 사용하여 모델을 훈련시킨다. 이는 제한된 모델 용량을 가진 소규모 언어 모델이 학습 데이터의 노이즈나 불필요한 정보에 방해받지 않고, 핵심적인 지식과 추론 능력을 효율적으로 습득하도록 돕는다. 데이터의 질이 모델의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 데이터 선별 과정은 매우 중요한 전처리 단계로 간주된다.

이 학습 방법의 구체적인 예로는 마이크로소프트의 Phi 시리즈에서 사용된 '교과서 수준의 데이터' 접근법을 들 수 있다. 이 모델들은 인터넷을 통한 대규모 크롤링 데이터 대신, 논리적 추론, 상식 이해, 코드 작성 등에 특화된 고품질의 합성 데이터나 교육용 자료를 집중적으로 학습했다. 이를 통해 모델은 방대한 양의 정보를 암기하기보다는 기본 원리를 이해하고 일반화하는 능력을 키울 수 있었다. 이는 소규모 언어 모델이 대규모 언어 모델에 비해 부족할 수 있는 일반 지식을, 데이터의 질로 보완하는 전략이다.

고품질 데이터 선별 학습의 장점은 명확하다. 첫째, 학습에 필요한 계산 자원과 시간을 크게 절감할 수 있다. 둘째, 모델이 특정 도메인이나 작업에 더욱 집중적으로 최적화될 수 있어, 특화된 성능을 끌어올린다. 예를 들어, 의료 기록 분석이나 법률 문서 초안 작성과 같은 전문 분야에서는 해당 분야의 정제된 데이터만을 학습시키는 것이 훨씬 효과적일 수 있다. 이는 전문가 시스템의 개념과도 연결된다.

따라서, 고품질 데이터 선별 학습은 단순히 모델 크기를 줄이는 것을 넘어, 데이터의 '질'에 대한 재정의를 통해 소규모 언어 모델의 가능성을 확장하는 패러다임 전환으로 평가받는다. 이는 머신 러닝과 자연어 처리 연구에서 데이터의 중요성이 지속적으로 강조되는 흐름과도 일치한다.

지식 증류는 큰 모델의 지식을 작은 모델로 전이하는 모델 압축 기술이다. 이 과정에서 큰 모델인 '교사 모델'이 생성한 출력이나 내부 표현(예: 소프트 레이블, 어텐션 맵)을 학습 데이터로 활용하여, 작은 모델인 '학생 모델'을 학습시킨다. 학생 모델은 원래의 정답 레이블(하드 레이블)뿐만 아니라 교사 모델이 제공하는 클래스 간 확률 분포(소프트 레이블)도 함께 학습함으로써, 교사 모델이 가진 일반화 능력과 은닉된 지식을 더 효과적으로 습득할 수 있다.

이 기술은 대규모 언어 모델의 방대한 지식과 성능을 유지하면서 모델 크기와 추론 비용을 크게 줄이는 데 핵심적 역할을 한다. 지식 증류를 통해 작은 모델은 단순히 정답을 맞추는 것을 넘어, 교사 모델의 추론 패턴과 데이터에 대한 미묘한 이해를 배울 수 있다. 결과적으로, 적은 매개변수만으로도 더 높은 정확도와 강건성을 달성하는 Small Language Models를 개발할 수 있게 된다.

지식 증류는 다양한 방식으로 적용된다. 출력 증류는 교사 모델의 최종 출력 확률을 목표로 삼는 가장 일반적인 방법이다. 특징 증류는 모델의 중간층 출력이나 어텐션 메커니즘의 결과를 전달하여 구조적 지식을 이식한다. 관계 증류는 데이터 샘플 간의 관계나 표현 간의 유사성을 전달하기도 한다. 이러한 기법들은 Phi 시리즈나 Gemma와 같은 대표적인 소형 언어 모델의 학습 과정에서 적극적으로 활용되었다.

효율적인 모델 아키텍처는 적은 매개변수로도 높은 성능을 내도록 설계된 구조를 의미한다. 대규모 언어 모델이 성능을 위해 규모를 키우는 방식을 택했다면, SLM은 아키텍처 수준에서의 최적화를 통해 효율성을 극대화한다. 대표적인 방법으로는 트랜스포머 구조 내 불필요한 연산을 줄이거나, 어텐션 메커니즘을 경량화하는 기술이 적용된다. 또한 양자화나 프루닝 같은 모델 경량화 기법을 아키텍처 설계 단계부터 고려하여, 배포 시 메모리 사용량과 전력 소비를 크게 낮춘다.

이러한 효율적인 설계는 SLM이 엣지 컴퓨팅 환경이나 개인용 스마트폰, 노트북 같은 온디바이스 AI에서 실시간으로 실행될 수 있는 기반을 마련해준다. 복잡한 클라우드 서버에 의존하지 않고도 사용자의 프라이버시를 보호하며 빠른 응답을 제공할 수 있다. 아키텍처 최적화는 단순히 모델을 작게 만드는 것을 넘어, 주어진 컴퓨팅 자원 내에서 최고의 성능을 끌어내는 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

스몰 언어 모델은 연산 자원 요구량이 적고 응답 속도가 빠른 특성 덕분에 엣지 컴퓨팅 환경에서의 온디바이스 AI 구현에 매우 적합한 솔루션으로 주목받고 있다. 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 스마트워치와 같은 개인용 장치나, IoT 센서, 자율주행차, 산업용 로봇 등 리소스가 제한된 환경에서도 실시간으로 인공지능 추론을 수행할 수 있게 해준다. 이는 사용자 데이터를 클라우드 서버로 전송하지 않고도 개인정보 보호와 데이터 보안을 강화하면서도 지연 시간을 크게 줄일 수 있는 장점을 제공한다.

이러한 온디바이스 배포는 특히 사생활 보호가 중요한 음성 비서, 실시간 번역, 개인화된 콘텐츠 추천 등의 서비스에 적합하다. 예를 들어, 스마트폰 내에 탑재된 스몰 언어 모델이 오프라인 상태에서도 사용자의 음성 명령을 처리하거나, 카메라로 촬영한 문서를 즉시 번역해 주는 기능을 가능하게 한다. 또한, 제조업 현장이나 원격지에서 인터넷 연결이 불안정한 상황에서도 장비의 상태를 분석하거나 작업자에게 지시를 내리는 데 활용될 수 있다.

스몰 언어 모델의 효율성은 모바일 프로세서와 같은 엣지 장치의 하드웨어 발전과 맞물려 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 주요 반도체 회사들은 NPU와 같은 전용 AI 가속 하드웨어를 모바일 칩셋에 통합하며, 이러한 소형 모델들을 최적으로 실행할 수 있는 플랫폼을 제공하고 있다. 이는 클라우드 컴퓨팅에 대한 의존도를 낮추고, 에너지 효율을 높이며, 보다 분산된 AI 생태계를 구축하는 데 기여할 것으로 전망된다.

Small Language Models은 특정 업무를 자동화하는 데 매우 효과적이다. 제한된 매개변수와 빠른 응답 속도를 바탕으로 특화된 작업에 최적화된 성능을 발휘할 수 있다.

대표적인 응용 분야는 코드 생성이다. 소프트웨어 개발 과정에서 반복적인 코딩 작업이나 보일러플레이트 코드 작성, 특정 프로그래밍 언어에 따른 문법 검사 및 제안 기능을 수행한다. 개발자의 생산성을 높이고 단순 실수를 줄이는 데 기여한다. 또한 고객 응답 자동화에도 널리 사용된다. 고객 서비스 센터에서 챗봇이나 가상 에이전트의 핵심 엔진으로 작동하여, 사전에 정의된 지식 베이스 내에서 빠르고 정확한 답변을 생성한다. 이는 콜센터의 업무 부하를 줄이고 24시간 서비스를 가능하게 한다.

이 외에도 문서 요약, 이메일 자동 작성, 데이터에서 키워드 추출, 내부 보고서 초안 작성 등 구조화된 문서 처리 작업에 적합하다. 법률 문서 검토나 의료 기록 정리와 같이 전문 분야의 특정 워크플로우를 지원하는 맞춤형 자동화 도구로도 개발된다.

이러한 특화된 자동화는 대규모 언어 모델에 비해 배포 비용이 낮고, 개인정보가 포함된 데이터를 외부로 전송하지 않고도 로컬에서 처리할 수 있는 보안적 이점도 제공한다. 결과적으로 중소기업이나 개인 개발자도 고급 인공지능 기능을 상대적으로 쉽게 업무에 도입할 수 있게 한다.

Small Language Models는 연구와 교육 분야에서 중요한 도구로 활용된다. 특히 대학이나 연구실과 같이 예산과 컴퓨팅 자원이 제한된 환경에서 인공지능과 자연어 처리 연구의 진입 장벽을 낮추는 역할을 한다. 대규모 언어 모델의 기본 원리를 학습하고 실험하는 데 필요한 하드웨어 비용을 크게 절감할 수 있어, 학생과 초기 연구자들이 모델 아키텍처, 학습 방법, 평가 기법 등을 직접 탐구할 수 있는 기회를 제공한다.

교육 현장에서는 Small Language Models를 활용한 실습 수업이 점차 확대되고 있다. 학생들은 상대적으로 가벼운 모델을 자신의 노트북이나 학교의 서버에서 직접 실행하고 미세 조정해볼 수 있다. 이를 통해 프롬프트 엔지니어링, 모델 평가, 전이 학습 등 실제 AI 개발 파이프라인을 체험할 수 있다. 또한, 모델의 내부 동작을 더 쉽게 분석하고 해석할 수 있어, 블랙박스로 여겨지는 대형 모델에 비해 교육적 가치가 높다는 평가를 받는다.

연구 측면에서는 Small Language Models 자체가 활발한 연구 주제가 되고 있다. 고품질의 소규모 데이터로만 학습시켜도 우수한 성능을 내는 방법, 더 효율적인 모델 압축 및 지식 증류 기법, 특정 학문 분야(예: 의학, 법학)에 특화된 모델 개발 등이 주요 연구 방향이다. 이러한 연구는 궁극적으로 AI 기술의 민주화와 보다 넓은 적용을 가능하게 하는 기반을 마련한다.