프롬프트 엔지니어링 기법: 10가지 주요 접근 방식의 구조적 비교

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핵심 요약

LLM의 성능을 극대화하기 위해 다양한 프롬프트 엔지니어링 기법이 등장했으나, 각 기법의 특성과 적용 시점이 상이하여 선택의 어려움이 존재한다. 이 아티클은 Few-Shot, CoT, ReAct 등 10가지 기법을 설명, 강점, 한계, 공식 사양 유무 등 동일한 기준으로 비교 분석한다. Self-Consistency의 경우 단일 CoT 대비 정확도를 5-15% 향상시키며, sinc-prompt는 제약 사항(Constraints)에 42.7%의 품질 기여 가중치를 부여하는 등 구체적 지표를 제공한다. 개발자는 작업의 복잡도와 지연 시간 요구사항에 맞춰 최적의 프롬프트 구조를 설계함으로써 모델의 추론 능력을 체계적으로 제어할 수 있다.

배경

LLM의 기본적인 작동 원리, In-context Learning에 대한 이해, API 기반 LLM 호출 경험

대상 독자

LLM 애플리케이션을 설계하고 프롬프트 성능을 최적화하려는 개발자 및 연구자

의미 / 영향

이 비교 분석은 프롬프트 엔지니어링이 단순한 '마법의 문구' 찾기를 넘어 구조화된 방법론과 이론적 체계를 갖춘 공학 분야로 진화하고 있음을 보여준다. 특히 sinc-prompt와 같은 정형화된 스키마의 등장은 향후 AI 에이전트 시스템에서 프롬프트의 자동 검증과 프로그래밍 방식의 제어가 보편화될 것임을 시사한다.

섹션별 상세

Few-Shot Prompting은 모델 학습 없이 예시만으로 동작을 제어하려는 요구에서 시작되었다. 2~8개의 입출력 예시를 프롬프트에 직접 포함하여 모델이 인-컨텍스트 러닝을 통해 패턴을 학습하게 유도하는 방식이다. 파라미터 업데이트 없이 즉각적인 동작 변경이 가능하나, 예시의 순서나 형식에 따라 성능 변동성이 크다는 한계가 있다. 분류나 정형 데이터 포맷팅 작업에서 가장 효율적인 성능을 보여준다.

Chain-of-Thought (CoT)는 복잡한 산술 및 논리 문제를 해결하기 위해 중간 추론 과정이 필요하다는 점에 착안했다. '단계별로 생각해보자'와 같은 문구를 추가하여 모델이 최종 답변 전 중간 단계들을 생성하도록 유도한다. 100B 이상의 대형 모델에서 수학적 추론 정확도를 크게 높여주지만, 소형 모델(10B 이하)에서는 효과가 미미하다. 추론 과정이 투명하게 공개되어 논리적 오류를 디버깅하기에 용이하다.

Self-Consistency는 단일 추론 경로에서 발생하는 무작위 오류를 줄이기 위해 고안되었다. 동일한 질문에 대해 여러 개의 추론 경로(5~40개)를 샘플링한 후 다수결 투표를 통해 가장 빈번한 최종 답변을 선택한다. 벤치마크 기준 CoT 대비 정확도를 5~15%p 향상시키며, 병렬 처리가 가능해 실제 응답 시간을 단축할 수 있다. 다만 추론 횟수에 비례하여 API 비용이 선형적으로 증가한다는 단점이 있다.

ReAct는 모델의 내부 지식 한계와 할루시네이션 문제를 해결하기 위해 외부 도구 활용이 필요했다. 추론(Thought)과 행동(Action), 관찰(Observation) 단계를 반복하며 외부 API나 데이터베이스에서 실시간 정보를 가져온다. 지식 집약적인 질문 답변 시스템의 핵심 아키텍처로 활용되며 할루시네이션을 획기적으로 줄인다. 외부 도구 호출로 인해 지연 시간이 가변적이며 초기 단계의 오류가 전체 결과로 전이될 위험이 있다.

Tree-of-Thought (ToT)는 선형적인 추론만으로는 해결하기 어려운 탐색 및 계획 문제를 위해 등장했다. 여러 추론 후보를 생성하고 자가 평가를 통해 유망한 경로를 선택하거나 막다른 길에서 되돌아가는(Backtracking) 트리 탐색 방식을 사용한다. 조합 최적화나 복잡한 퍼즐 해결에서 탁월한 성능을 발휘하지만, 탐색 깊이에 따라 계산 비용이 기하급수적으로 증가한다.

sinc-prompt는 프롬프트 구조를 신호 처리 이론의 샘플링 정리와 결합하여 정형화하려는 시도이다. 프롬프트를 페르소나, 컨텍스트, 제약 사항 등 6개 주파수 대역으로 모델링하고 JSON 스키마를 통해 기계적으로 검증한다. 저자의 실험에 따르면 제약 사항(Constraints) 대역이 품질 기여도의 42.7%를 차지하며 할루시네이션 방지에 가장 중요하다. 시스템 프롬프트나 에이전트 파이프라인처럼 엄격한 검증이 필요한 환경에 적합하다.

실무 Takeaway

수학이나 논리 분석 작업에는 CoT를 기본으로 적용하되, 높은 정확도가 필수라면 Self-Consistency를 결합하여 다수결 투표 방식을 도입해야 한다.
실시간 정보가 필요한 RAG 시스템 구축 시에는 ReAct 패턴을 활용하여 모델이 외부 API를 호출하고 결과를 관찰하며 추론을 이어가도록 설계해야 한다.
대규모 응답의 지연 시간을 줄여야 한다면 Skeleton-of-Thought 기법을 사용하여 전체 개요를 먼저 생성한 뒤 각 세부 항목을 병렬로 확장 호출하는 방식을 고려해야 한다.

언급된 리소스

논문Language Models are Few-Shot Learners (Brown et al., 2020)

논문Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models (Wei et al., 2022)

API Docssinc-prompt JSON Schema