정보처리 용량

왜 배우는가: 정보처리 용량은 사람이 한 번에 처리할 수 있는 정보의 한계를 다루므로, 표시 항목과 경보 개수를 정하는 설계에서 바로 쓰인다. 1교시 그래프 문항과 2교시 기억·오류 문항이 모두 이 한계를 전제로 하므로 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제109회 1교시 3번, 제100회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정보처리 용량은 사람이 단위 시간에 감각 입력을 인지하고 판단하여 반응으로 내보낼 수 있는 정보량의 상한이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 정보처리 용량: 인간이 처리할 수 있는 정보량의 최댓값이다.
• 경로용량: 자극에서 반응까지 이어지는 정보처리 경로가 감당하는 정보량의 한계다.
• 정보량: 불확실성을 줄이는 양이며 단위는 비트(bit)다.
• 작업기억: 현재 과제를 위해 정보를 잠시 붙잡고 조작하는 저장소다.
• 청킹: 낱개 정보를 의미 단위로 묶어 한 덩어리로 다루는 방법이다.
• 주의 자원: 여러 자극 가운데 처리할 대상을 고르는 데 쓰이는 한정된 자원이다.
• 직렬 처리 병목: 의식적인 판단이 한 번에 하나씩 진행되어 생기는 처리 지연이다.

이 정의에서 세 가지를 주목한다. 첫째는 단위 시간이다. 같은 정보량이라도 주어진 시간이 짧아지면 처리 부담이 커진다. 둘째는 ‘오류 없이’라는 조건이다. 오류가 늘어나는 순간의 처리량은 용량으로 인정되지 않는다. 셋째는 ‘반응으로 내보낼’이라는 끝점이다. 입력을 받아들이는 것만으로는 경로 전체의 용량을 잰 것이 아니며, 판단이 실제 행동으로 나와야 용량이 측정된다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 사람이 한꺼번에 받아들여 생각하고 행동으로 옮길 수 있는 정보의 양에는 한계가 있다는 뜻이다. 눈과 귀로 들어오는 신호는 많아도 뇌가 그것을 의미 있는 판단으로 바꾸는 속도와 붙잡아 둘 공간은 제한되어 있다. 그래서 표시 항목이 많아지면 중요한 정보가 묻히고, 경보가 여러 개 동시에 울리면 어느 것부터 볼지 정하지 못한다.

정식으로 정의하면, 정보처리 용량은 자극 입력에서 반응 출력까지 이어지는 인지 경로가 단위 시간에 오류 없이 처리할 수 있는 정보량의 최댓값이다. 이 경로는 감각 기록, 주의에 의한 선택, 작업기억에서의 조작, 장기기억의 인출, 운동 반응의 순서로 이어진다. 경로의 어느 한 곳이라도 용량을 넘으면 전체 처리가 늦어지거나 오류가 생긴다.

핵심 용어를 하나씩 풀면 다음과 같다. 경로용량은 정보처리 경로가 오류 없이 전달·처리할 수 있는 최대 정보량이다. 통신 이론의 채널 용량을 인간의 처리 경로에 옮긴 개념이며, 인간에게는 비트 단위로 나타낸다.

정보량은 대안이 얼마나 많은지로 정해지는 불확실성의 양이다. 대안이 n개이고 각각 같은 확률이면 정보량은 H = \log_2 n 비트다. 두 대안 가운데 하나를 고르는 정보량은 1비트이고, 여덟 대안 가운데 하나를 고르는 정보량은 3비트다.

작업기억은 현재 과제를 위해 정보를 잠시 붙잡고 조작하는 저장소다. 이 관점은 Miller 이후 인지심리학과 인간공학 설계에 널리 쓰인다.

청킹은 낱개 정보를 의미 있는 덩이로 묶는 방법이다. 같은 작업기억 용량으로도 묶인 덩이 수만큼 더 많은 내용을 담을 수 있다. 전화번호를 세 부분으로 나누어 외우는 것이 대표적인 예다.

주의 자원은 여러 자극 가운데 처리할 대상을 고르는 데 쓰이는 한정된 자원이다. 두 과제를 동시에 하면 자원이 나뉘어 각 과제의 처리 속도가 떨어진다.

직렬 병목은 두 가지 형태로 나타난다. 하나는 판단 단계가 한 번에 한 가지씩 처리되는 것이고, 다른 하나는 작업기억이 동시에 붙잡을 수 있는 항목 수가 적은 것이다. 앞의 것은 반응 시간을 늘리고, 뒤의 것은 항목을 빠뜨리게 한다. 두 형태는 서로 다른 설계 대책으로 줄인다.

사람의 정보처리 경로는 한 번에 한 흐름을 주로 처리하는 직렬 병목을 가진다.

3. 등장 배경과 필요성

정보처리 용량 개념은 통신공학에서 먼저 나왔다. 1948년 섀넌은 잡음이 있는 채널에서 오류 없이 보낼 수 있는 최대 정보 전송률을 정의했다. 채널 용량은 C = B\log_2(1+S/N) 비트/초로 주어진다. 여기서 B는 대역폭, S/N은 신호대잡음비이며, 채널 용량은 이 두 값으로 결정된다. 이 틀이 1950년대 심리학과 인간공학으로 옮겨 와, 사람을 하나의 통신 채널로 보고 입력과 출력 사이의 정보 전달을 재는 연구가 시작되었다. 인간의 의식적 정보처리 속도는 초당 수십 비트 이하로 알려져 있다.

인간 쪽 연구가 쌓인 계기는 항공기와 레이더처럼 조작자가 많은 정보를 짧은 시간에 읽고 판단해야 하는 기계가 늘어난 것이었다. 조작자가 표시장치를 읽는 속도가 설계 속도를 따라가지 못하자, 한꺼번에 줄 수 있는 정보의 양을 정량적으로 정할 필요가 생겼다. Miller는 1956년 작업기억 용량을 약 7±2개 청크로 보고했다. Hick과 Fitts가 같은 시기에 낸 반응 시간 연구는 대안 수와 이동 거리가 시간을 늘린다는 것을 보였다.

설계에서 정보처리 용량을 무시하면 표시 항목이 많은 화면, 한꺼번에 울리는 경보, 깊은 메뉴 구조가 나오고, 그 결과 인적오류가 늘어난다. 관련 연구는 사람의 정보처리 한계가 작업기억 용량과 시간, 인출 조건뿐 아니라 동기부여·스트레스·높은 업무 부하 같은 요인에 따라서도 달라진다고 정리한다. 그래서 설계자는 능력과 한계를 함께 고려해야 하며, SHELL 모형도 이 점을 설계 원칙으로 든다.

경로용량 개념은 설계 단계에서 세 가지로 쓰인다. 첫째, 한 화면에 동시에 보여 줄 항목 수를 정한다. 둘째, 경보의 종류와 개수를 제한하고 우선순위를 준다. 셋째, 복잡한 절차를 단계로 나누어 작업기억의 부담을 줄인다. 이 세 가지는 대책 항목으로 그대로 옮길 수 있다.

이 개념은 사고 분석에서도 쓰인다. 사고 조사에서 작업자가 정보를 놓쳤다는 결론은 정보량이 처리 용량을 넘었는지, 주의가 다른 곳에 나뉘었는지를 함께 따져야 설득력을 얻는다.

입력 정보량을 늘리면 출력 처리량은 어느 지점까지는 함께 늘지만, 그 뒤로는 평평해진다. 그래프를 그릴 때는 가로축에 입력 정보량, 세로축에 처리량을 두고 포화점을 표시한다. 포화 이전은 거의 직선으로 오르고 이후는 완만해지며, 평평해지는 높이가 경로용량의 크기다. 1교시의 경로용량 그래프 문제와 2교시의 기억·오류 문제는 모두 이 한계를 전제로 한다.

4. 구성요소·원리·절차

정보처리 경로는 다섯 구성요소가 순서대로 이어진 것으로 본다. 앞 구성요소의 출력이 다음 구성요소의 입력이 되므로, 경로 전체의 처리량은 가장 좁은 구간이 정한다. 이것을 병목 원리라 부른다.

경로 전체의 처리량은 용량이 가장 작은 구성요소가 정한다.

구성요소는 다음 표와 같다.

감각 기록은 거의 모든 입력을 받아들이지만, 주의를 받지 못한 정보는 곧 사라진다. 그래서 병목은 대개 주의 선택과 작업기억 구간에서 생긴다. 장기기억은 용량이 사실상 크지만 필요한 지식을 꺼내는 데 시간이 걸린다.

작업기억은 항목 수가 제한되어 있어 한꺼번에 많은 값을 붙잡으면 앞의 항목이 밀려난다. 청킹으로 항목을 묶으면 같은 공간에 더 많은 내용을 담을 수 있다. 단계 나누기는 작업기억에 동시에 올릴 항목을 줄이는 방법이다.

원리는 두 가지로 설명한다. 첫째는 직렬 병목 원리다. 판단 단계는 한 번에 하나씩 처리하므로 자극이 동시에 들어와도 응답은 줄을 서서 나간다. 둘째는 용량 초과 원리다. 입력 정보량이 경로용량을 넘으면 처리량은 더 늘지 않고, 대기와 누락만 늘어난다.

예를 들어 같은 경보음이 여러 개 울리면 주의 선택 구간에서 병목이 생긴다. 이때 경보를 소리, 색, 위치로 나누어 전달하면 주의가 나뉘는 부담이 줄어든다.

두 원리를 식으로 나타내면 다음과 같다. 대안이 n개인 선택 반응의 평균 반응 시간은 RT = a + b\log_2(n+1) 로 모형화된다. 이것을 Hick–Hyman 법칙이라 부른다. 여기서 a는 기저 반응 시간, b는 정보량 1비트당 늘어나는 시간이다. 대안이 많아질수록 로그만큼만 늘어나므로, 대안 수를 두 배로 늘려도 반응 시간이 두 배가 되지는 않는다.

운동 과제에는 Fitts의 식을 쓴다. 표적까지 이동하는 시간은 MT = a + b\log_2\left(\frac{2D}{W}\right) 로 나타낸다. 여기서 D는 이동 거리, W는 표적 폭이다. 거리가 멀수록, 표적이 좁을수록 정보량이 커지고 이동 시간이 늘어난다.

절차는 다음 순서로 적용한다.

• 입력 정보의 종류와 개수를 센다.
• 주의가 필요한 자극을 고르고 우선순위를 붙인다.
• 작업기억에 동시에 올라가는 항목을 청크 단위로 센다.
• 경로 각 구간의 처리 시간을 더해 병목 구간을 찾는다.
• 병목 구간에 청킹, 표시 축소, 자동화 같은 대책을 적용한다.
• 대책 뒤의 반응 시간과 오류율을 다시 측정한다.

흐름도의 되먹임 화살표는 재확인 경로를 보여 준다. 재확인은 오류를 잡는 경로이면서 동시에 작업기억의 부담을 늘리는 경로이므로, 설계에서는 두 효과를 함께 본다.

5. 관련 법령·기준·표준

정보처리 용량을 수치로 정한 법정 기준은 없다. 설계 원칙과 국제표준, 그리고 널리 쓰는 정량 모형이 기준 역할을 한다. 아래 표는 그 가운데 대표적인 것을 모은 것이다.

표의 값은 모형의 상수일 뿐이다. 실제 a와 b는 과제, 사람, 환경에 따라 달라지므로 설계에서는 실험으로 보정한다. 같은 식이라도 숙련자와 초보자의 상수가 다르다는 점을 함께 적으면 답안의 정확성이 올라간다.