Agent AI Week 3: Chain of Thought 추론 | AI Trends

서울대학교 DSBA 연구실AI/ML

Agent AI Week 3: Chain of Thought 추론

대규모 언어 모델이 단계별 사고 과정을 거쳐 복잡한 문제를 해결하도록 유도하는 Chain of Thought 기법의 원리와 에이전트 AI에서의 활용 방안을 다룹니다.

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핵심 요약

Chain of Thought는 모델이 중간 추론 단계를 거치게 함으로써 복잡한 문제 해결 능력을 비약적으로 향상시키며, 이는 자율적인 에이전트 AI 구축을 위한 필수적인 요소이다.

배경

대규모 언어 모델(LLM)이 단순한 텍스트 생성을 넘어 복잡한 논리적 추론을 수행할 수 있도록 돕는 기법들이 연구되고 있습니다.

대상 독자

LLM의 추론 능력을 고도화하고자 하는 AI 연구자 및 개발자

의미 / 영향

CoT는 LLM이 단순한 정보 검색기를 넘어 능동적인 문제 해결사로 진화하는 핵심 기법이다. 실무적으로는 에이전트의 의사결정 과정을 투명하게 공개함으로써 AI 시스템에 대한 사용자의 신뢰를 구축하고, 복잡한 비즈니스 로직을 자동화하는 데 기여한다. 향후 연산 효율성을 높인 CoT 변형 기법들이 에이전트 아키텍처의 표준으로 자리 잡을 것이다.

챕터별 상세

00:21

Chain of Thought(CoT)의 정의와 등장 배경

Chain of Thought(CoT)는 모델이 최종 정답을 내놓기 전 단계별 추론 과정을 함께 생성하도록 유도하는 프롬프팅 기술이다. 모델 사이즈가 커질수록 성능이 향상된다는 Scaling Law가 존재하지만, 산술(Arithmetic), 상식(Common Sense), 기호 추론(Symbolic Reasoning) 등 고도화된 태스크에서는 단순 스케일업만으로 성능 개선이 어려운 한계가 발견됐다. 이를 해결하기 위해 입력(Input), 추론 과정(Chain of Thought), 출력(Output) 형태의 프롬프트를 사용하여 모델의 잠재된 추론 능력을 이끌어내는 방식이 제안됐다.

Scaling Law는 모델의 파라미터 수, 데이터량, 연산량이 증가함에 따라 성능이 지수적으로 향상된다는 법칙이다.

01:53

CoT의 주요 속성과 작동 메커니즘

CoT는 네 가지 주요 속성을 보유한다. 첫째, 문제 난이도에 따라 추론 단계 길이를 조절하는 Adaptive Computation이 가능하다. 둘째, 중간 과정을 텍스트로 출력하므로 사람이 모델의 판단 근거를 확인하고 디버깅할 수 있는 Interpretability를 제공한다. 셋째, 수학 문제부터 상식 추론까지 인간이 언어로 해결 가능한 모든 영역에 적용할 수 있는 Generality를 갖는다. 마지막으로, 충분히 큰 모델에서 Few-shot 프롬프트에 CoT 예시를 포함하는 것만으로도 추론 능력이 활성화되는 Elicitation 특징이 있다.

In-context learning은 모델의 가중치를 수정하지 않고 프롬프트에 포함된 예시만으로 새로운 태스크를 수행하게 하는 방식이다.

03:33

산술 추론 벤치마크 실험 및 분석 결과

GSM8K, SVAMP 등 산술 추론 데이터셋을 활용한 실험 결과, CoT는 모델 파라미터가 약 100B 이상일 때 성능 향상 효과가 뚜렷하게 나타났다. 반면 소규모 모델에서는 오히려 성능이 저하되는 현상이 관찰됐다. Ablation Study를 통해 단순 수식(Equation Only)만 추가하거나 출력 토큰 수(Variable Compute Only)를 늘리는 것보다, 자연어로 된 실제 추론 과정을 포함하는 것이 성능 향상의 핵심 요인임이 증명됐다. 또한 답변 이후에 설명을 덧붙이는 방식보다 답변 이전에 추론을 수행하는 것이 훨씬 효과적이었다.

Ablation Study는 모델이나 기법의 특정 구성 요소를 제거하며 해당 요소가 전체 성능에 미치는 영향을 분석하는 실험이다.

05:40

Self-Consistency를 통한 추론 안정성 강화

기존 CoT는 단일 경로로 답변을 생성하므로 우연히 틀린 경로를 선택할 위험이 있다. 이를 보완하기 위해 제안된 Self-Consistency 기법은 동일한 질문에 대해 여러 개의 추론 경로를 샘플링한 뒤, 가장 많이 도출된 정답을 최종 결과로 선택하는 Majority Voting 방식을 사용한다. 실험 결과 GPT-3, PaLM 등 다양한 모델에서 기존 CoT 대비 성능이 추가로 향상됐다. 이는 정답에 이르는 경로는 다양할 수 있지만 최종 정답은 일관되어야 한다는 직관에 기반하며, 모델의 불확실성을 효과적으로 제어한다.

Majority Voting은 여러 개의 예측 결과 중 가장 빈도수가 높은 결과를 최종값으로 채택하는 앙상블 기법의 일종이다.

07:11

에이전트 AI 시스템에서의 CoT 역할과 필요성

에이전트 AI에서 CoT는 복잡한 목표를 하위 태스크로 분해하고 실행 계획을 수립하는 데 필수적이다. 예를 들어 여행 예약 에이전트가 CoT를 사용하면 항공권 검색, 예산 확인, 일정 조정 등의 단계를 순차적으로 점검하며 논리적 오류를 스스로 수정할 수 있다. 또한 멀티 에이전트 환경에서는 각 에이전트가 자신의 추론 과정을 공유함으로써 상호 간의 오해를 줄이고 협업 효율을 높인다. 사용자는 에이전트의 사고 과정을 추적하여 어떤 단계에서 실수가 발생했는지 파악하고 지속적으로 시스템을 개선할 수 있다.

에이전트 AI는 주어진 목표를 달성하기 위해 스스로 계획을 세우고 도구를 사용하며 환경과 상호작용하는 인공지능 시스템이다.

09:24

CoT의 한계점과 향후 과제

CoT는 강력한 도구이지만 몇 가지 한계가 존재한다. 첫째, 예시 프롬프트의 품질에 따라 성능 편차가 크며 효과적인 프롬프트 제작에 도메인 지식과 비용이 소모된다. 둘째, 여러 단계의 추론을 생성하므로 출력 토큰 수가 늘어나 연산 비용과 시간이 증가한다. 셋째, 특정 추론 패턴에 모델이 과적합(Overfitting)되어 일반화 능력이 저하될 위험이 있다. 마지막으로 추론 과정 자체의 논리적 질을 객관적으로 평가하고 검증할 수 있는 표준화된 지표가 부족하다는 점이 해결해야 할 과제로 남았다.

과적합(Overfitting)은 모델이 훈련 데이터나 특정 패턴에 너무 익숙해져서 새로운 데이터에 대해 유연하게 대처하지 못하는 상태를 의미한다.

실무 Takeaway

복잡한 논리나 연산이 필요한 태스크에서는 단순 Zero-shot 대신 'Let's think step by step'과 같은 CoT 유도 문구를 활용하여 정확도를 높일 수 있다
추론의 안정성이 중요한 서비스에서는 Self-Consistency 기법을 적용하여 여러 경로의 답변 중 다수결로 결과를 도출하는 것이 유리하다
에이전트 시스템 설계 시 중간 추론 과정을 로그로 남기면 시스템의 오류 발생 지점을 명확히 파악하고 성능을 개선하는 디버깅 도구로 활용 가능하다

언급된 리소스

논문Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models

논문Self-Consistency Improves Chain of Thought Reasoning in Language Models

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출처 · 인용 안내

원문 발행 2026. 01. 20.수집 2026. 02. 21.출처 타입 YOUTUBE

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