가장 똑똑한 컴퓨터는 무슨 일을 할까

一般 自動車보다 더 빠르고 잘 달리는 車를 스포츠카라고 부릅니다. 엔진 出力이 좋고, 抵抗이 적도록 疫學的으로 外形을 設計합니다. 스포츠카 中에서도 아주 특별한, 超高스펙 스포츠카는 '슈퍼카'로 分類됩니다. 짐승이 그르렁거리는 것 같은 엔진 소리와 100m 밖에서도 特別한 外觀은 '슈퍼'라는 別稱이 붙는 理由를 斟酌케 합니다. 그렇죠, '슈퍼'는 말 그대로 탈 一般級을 일컫는 單語입니다.

▲ 2019年 스위스 제네바 모터쇼에 展示된 페라리 F8 트리뷰土. 靜止狀態에서 時速 100km까지 速力을 올리는 데 고작 2.9秒 밖에 걸리지 않는 슈퍼카. (出處: Alexander Migl, 위키미디어 커먼스)

첫 番째이면서 同時에 無限을 뜻하는 슈퍼컴퓨터, '알레프(ALEPH)'?

自動車에게 슈퍼카가 있다면 사람에게는 슈퍼맨(요즘 大勢는 아이언맨인듯하지만!)이 있고, 컴퓨터에게는 '슈퍼컴퓨터'가 있습니다. '슈퍼'라는 말에서 느껴지듯 어마어마어마어마하게 性能이 좋은 컴퓨터를 말합니다. 네, 오늘은 슈퍼컴퓨터에 對한 이야기를 해볼까 합니다.
4月 25日 大田 基礎科學硏究院(IBS) 本院에서 'IBS 슈퍼컴퓨터 開通式'이 열렸습니다. 슈퍼컴퓨터 ‘알레프(ALEPH)’를 正式으로 紹介하고 活用 計劃을 發表하는 자리였습니다.

알레프(ALEPH)는 히브리어의 첫 글字로, 알파벳에서는 A, 數字는 1을 의미합니다. 數學에서는 '無限∞'을 의미하고요. IBS의 첫 番째 슈퍼컴퓨터이자 알레프를 利用해 計算한 數値 情報를 利用해 無限한 可能性을 지닌 科學的 理論을 만들어낸다는 意味를 담아 이런 이름을 붙였습니다. 알레프는 IBS 氣候物理 硏究團(團長 악셀 팀머만)을 始作으로 理論物理, 計算 科學等 基礎科學 競爭力을 끌어 올리는데 本格的으로 利用될 것이라고 합니다.

▲ IBS 本願 데이터센터에 設置된 알레프(ALEPH). (出處 : IBS)

슈퍼컴퓨터의 性能은 플롭스(Flops, 1秒에 實行할 수 있는 演算 命令수, 演算速度)라는 單位를 利用해 表現합니다. 다만 엄청나게 빠른 速度를 자랑하기 때문에 그냥 플롭스를 쓰지는 않습니다. 미터의 1000倍인 킬로미터가 있고, 또 그 1000倍인 메가미터(길이 單位에서는 이쯤 되면 天文學 單位라 光年이나 파섹과 같은 特殊 單位를 쓰긴 합니다)가 있는 것처럼 플롭스度 1000倍 單位로 킬로(10 ³ ), 메가(10 ⁶ ), 기가(10 ⁹ ), 테라(10 ¹² ), 페타(10 ¹⁵ ) 巡으로 單位가 存在합니다. 슈퍼컴퓨터는 10 ¹⁵ 플롭스人 페타플롭스(PF)를 單位로 使用합니다. 1秒에 1000兆 演算이 可能하단 뜻입니다.

알레프의 演算速度는 1.4377 PF입니다. 이렇게 數字로 보면 感이 잘 안 오실 텐데요. 76億 地球人 全體가 손에 計算器를 들고 各各 19萬 件을 計算하는 量입니다. 單 1秒 만에 말이지요. 혼자서 한다면, 1秒에 1番 計算을 한다고 쳐도 4558萬 9167年이 걸립니다. 參考로 人類도 아니고 哺乳類가 本格的으로 蕃盛하기 始作한 것은 約 1000萬~1500萬 年 前입니다. 애初에 '슈퍼'라는 名稱이 붙은 컴퓨터의 年産 速度를 사람과 比較하는 自體가 말이 안 되긴 합니다.

同時代 컴퓨터 中 最高 性能을 가진 컴퓨터가 '슈퍼컴퓨터'?

現代에서야 무엇이든 해주는 萬能 機械가 됐지만 컴퓨터는 本來 計算을 代身하는 用途로 開發됐습니다. '計算하다'라는 뜻을 가진 라틴語 'computare'에서 由來됐다는 것만 봐도 알 수 있습니다. 컴퓨터(=計算을 도와주는 道具)의 歷史를 찾아보면 紀元前부터 使用해왔던 籌板이라거나, 17世紀에 만들어진 파스칼 計算器 等 재미있고 神奇한 多樣한 發明品이 登場합니다. 찾아보면 볼수록 재미있는 이야기가 많이 나오지만 우리는 '슈퍼'를 이야기하고 싶은 만큼 자잘한 發明品은 다 건너뛰고 本格的으로 컴퓨터의 時代를 始作한 發明品이 登場한 1940年代로 가보겠습니다.

▲ 最初의 컴퓨터(?) 籌板. (出處: Dave Fischer, 위키미디어 커먼스)/p>

1939年 世界 最初 電子式 컴퓨터 'ABC(아타나소프 베리 컴퓨터, Atanasoff-Berry Computer)'를 始作으로 本格的으로 電子式 컴퓨터가 登場합니다. 1944年에는 英國에서 '콜로서스(Colossus)'라는 컴퓨터가 開發돼 世界 2次 大戰 中 暗號를 解讀하는 作業에 쓰였습니다. 바야흐로 對 컴퓨터 時代의 序幕이 열린 거지요.

▲ 1940~50年代의 얼리어댑터의 必需品(?), 에니악. 무게만 30톤 級의 크고 아름다운 本體를 가졌다. (出處: 퍼블릭 도메인, 위키미디어 커먼스)

이 時代의 컴퓨터 技術의 頂點은 1946年에 나타납니다. 美國 펜실베니아大의 존 에커트와 존 모클리가 砲彈의 彈道를 計算하기 위한 컴퓨터를 開發했습니다. 이름은 에니악(ENIAC, Electronic Numerical Integrator And Computer), 演算速度는 約 5kF(킬로플롭스, 1秒에 演算命令을 1000回 隨行)으로 當時 使用하던 다른 컴퓨터보다 約 1000倍 程度 性能이 좋았습니다. 1944年은 世界2次大戰의 막바지였는데, 戰爭 中에는 彈道를 計算하고, 그 뒤에는 1955年까지 數學이나 宇宙船, 날씨 豫測 等 多樣한 分野에서 使用됐습니다.

眞짜로 '슈퍼컴퓨터'라고 불릴만한 컴퓨터는 1964年, 美國의 CDC社가 내놓은 'CDC 6600'입니다. 세이母語 크레이가 設計한 컴퓨터로 1MF(메가플롭스, 1秒에 演算命令 100萬 回 隨行)級 演算速度를 가졌습니다. 以後 세이母語 크레이는 CDC를 떠나 크레이 리서치(Cray research) 社를 設立합니다. 크레이 리서치는 現在에도 슈퍼컴퓨터 製作社로 널리 알려져 있는데요, IBS의 알레프 亦是 크레이 리서치의 製品을 利用했습니다.

事實 슈퍼컴퓨터라고 불리는 過去 컴퓨터의 性能은 只今 우리가 쓰는 컴퓨터들과 比較를 하면 至極히 하찮습니다. 에니악의 kF級이나 CDC 6000의 MF級 年産 速度는 敢히 比較할 것이 못됩니다. 例를 들면 1988年에 登場한 슈퍼컴퓨터 Cray Y-MP는 1GF(기가플롭스, 1秒에 演算 命令을 10億 回 隨行)로 演算할 수 있었습니다. 그런데 말이죠, 오늘날 우리가 쓰는 家庭用 컴퓨터는 스펙에 따라 다르지만 大略 100기가플롭스(GF, 1秒에 演算命令을 10億 回 隨行)나 테라플롭스(TF, 1秒에 演算命令을 1兆 回 隨行) 級입니다.
네, 當時의 最高의 컴퓨터라도 時間이 지나 더 좋은 것이 나오면 슈퍼컴퓨터라는 이름을 내려놓을 수밖에 없는 겁니다.

世界 Top 500臺가 眞짜 '슈퍼컴퓨터'?

컴퓨터의 發展 速度는 어마무시하게 빠릅니다. 20世紀 中盤에야 眞空管에서 트랜지스터로 바뀌는 等 電子 技術의 基盤이 닦이기 前이었지만 CPU를 여러 臺 使用하는 方式으로 슈퍼 컴퓨터의 性能을 幾何級數的으로 올렸습니다.

最近에는 電氣使用量을 줄이기 위해 다른 方案을 苦悶하고 있습니다. 그리고 그 結果로 2000年代에는 거의 2~3年 마다 '世界에서 가장 計算을 빨리하는 슈퍼컴퓨터'의 이름이 바뀌는 中입니다. 2011年에는 日本의 '게이(京)'가, 2012年에는 美國의 歲쿼이어(Sequoia)로, 같은 해 下半期에는 美國의 타이탄(Titan)李…. 뒤를 이어 中國의 톈허-2(天河-2), 선웨이 타이후라이트(神威太湖之光) 美國의 서밋 順으로 슈퍼컴퓨터 世界 1位의 脈을 잇고 있습니다.

▲ 2011年 日本 理化學硏究所(RIKEN)과 후지쯔가 開發한 슈퍼컴퓨터 '게이(京)'. 世界 最初로 10PF의 壁을 넘었다. (出處: Toshihiro Matsui, 위키미디어 커먼스)

슈퍼컴퓨터의 性能은 컴퓨터의 演算能力을 評價하는 프로그램인 린팩 벤치마크를 利用해 測定합니다. 測定 結果는 TOP500 홈페이지( https://www.top500.org )를 通해 公開가 됩니다. 그리고 普通 500位 랭킹에 드는 컴퓨터를 '슈퍼컴퓨터'라고 指稱하곤 합니다. 時間이 지나며 더 性能이 좋은 컴퓨터가 나오면 더 以上 슈퍼컴퓨터라고 부르기 어려워지는 것을 反映하는 셈입니다. 每年 6月과 11月에 새로운 랭킹이 公開가 되는데요, 現在 올라와 있는 랭킹은 2018年 11月 버전입니다. 如前히 美國의 서밋이 1位 자리를 지키고 있는 가운데 시에라(美國), 선웨이 타이후라이트(中國), 텐虛-2A(中國), 順으로 이어집니다. 서밋은 지난해 6月 1位에 랭크됐는데, 이 記錄이 언제 바뀔지가 궁금해지는 部分입니다.

▲ 資料 出處: TOP500.org, 單位: 페타플롭스, PF

10位圈 順位만 보면 美國이 壓倒的인 實力을 자랑하고 있지만 全體 랭킹을 보면 막상 그렇지도 않습니다. 슈퍼컴퓨터 500代 中 가장 많은 機器를 갖고 있는 나라는 中國입니다. 折半에 가까운 227臺가 中國에 있습니다. 한 때 슈퍼컴퓨터를 가장 많이 갖고 있던 나라인 美國은 2016年 以後 中國에게 추월당했습니다.

▲ 資料 出處: TOP500.org

우리나라는 어떨까요? 2018年 11月 500位 랭킹 안에 슈퍼컴퓨터 6臺를 保有하고 있습니다. 가장 性能이 뛰어난 것은 13位에 랭크된 누리온으로 韓國科學技術情報硏究院(KISTI) 國家슈퍼컴퓨팅센터에 設置된 國家슈퍼컴퓨터 5好機입니다. 82, 83位에 나란히 랭크된 누리와 미리는 氣象廳 國家氣象슈퍼컴퓨터센터에 設置된 國家슈퍼컴퓨터 4號機고요. 334, 335位에는 民間企業이 保有한 슈퍼컴퓨터가 자리 잡고 있습니다. IBS의 알레프는 445位 性能입니다.

▲ 에너지와 尖端 素材를 硏究할 目的으로 開發한 美國의 슈퍼컴퓨터 서밋(Summit). 理論的으로 演算速度는 無慮 187PF에 達한다. 現在 約 143PF의 性能을 내고 있으며 업그레이드를 통해 性能을 끌어 올리고 있다. (出處: Carlos Jones, 위키미디어 커먼스)

人間이 計算하기 不可能한 資料, 슈퍼컴퓨터로 解決한다?

이 글을 읽는 讀者들께서 記憶하실지 모르겠습니다만, 20年 全 日氣豫報와 只今의 日氣豫報는 完全히 달라졌습니다. 江原道 洪川郡과 春川郡의 날씨를 別途로 豫報하면서 同時에 時間代 別 날씨를 알려줍니다. 이런 豫報가 可能한 것은 오랫동안 쌓여온 觀測 資料를 바탕으로 傾向性을 찾아냈기 때문입니다. 한 文章으로 說明했지만 이 안에 담긴 意味는 簡單하지 않습니다. 地域, 分 單位로 溫度와 濕度, 氣壓, 風向, 風俗, 降水量 等 各種 氣象 要素를 測定한 資料를 數十 年 동안 累積海 쌓은 뒤 이 資料를 바탕으로 우리나라에 맞는 數値 豫報 모델을 만들어야만 可能한 일입니다.

當場 皮膚에 와 닿는 例示로 날씨를 들었지만 이런 計算이 必要한 分野는 날씨만이 아닙니다. IBS 氣候物理 硏究團은 슈퍼컴퓨터 알레프를 利用해 날씨보다 더 큰 領域인 氣候 變化 硏究를 進行합니다. 地球 全體를 領域으로 삼아 複合地區시스템모델을 만들고, 이를 利用해 過去와 現在, 未來의 氣候 變化를 硏究할 豫定입니다. 이 硏究를 土臺로 엘리뇨나 몬순 같은 全地球的인 氣候 變化의 祕密을 풀고 大陸 氷河 減少나 海水面 上昇같은 氣候 問題를 解決할 方案이 나올 지도 모릅니다.

氣候뿐만 아닙니다. 現代 物理學의 核心 難題를 解決하려는 地下實驗 硏究團이나 純粹物理 理論 硏究短刀 알레프를 通해 旣存 裝備로는 不可能했던 硏究를 함으로써 더 나은 成果를 낼 수 있습니다. 그동안 풀지 못했던 暗號를 풀 수도 있고, 細胞 實驗 시뮬레이션 같은 生物學 成果를 얻어낼 지도 모릅니다.

1988年 우리나라는 처음 슈퍼컴퓨터 1號基를 導入해 日氣豫報와 3次元 韓半島 地圖 製作, 自動車나 航空機 部品 設計, 原子力 發電所 安全性 分析과 같은 다양한 分野에 活用했습니다. 그 뒤로 次例로 導入한 다른 슈퍼컴퓨터들은 여러 硏究者들에게 도움을 준 뒤 一部는 제 役割을 마친 뒤 退役을 하고 一部는 如前히 現役으로서 科學者들의 補助 頭腦로 活動하는 中입니다. 이제 막 稼動을 始作하는 알레프의 向後 應用 分野가 더욱 期待되는 理由입니다.

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