Exascale에 근접: Arm 기반 슈퍼컴퓨터가 HPC를 선도

Arm 기반 슈퍼컴퓨터, 차세대 컴퓨팅 시대를 열다 2020년은 슈퍼컴퓨터 분야에 있어 기념비적인 한 해였습니다. 일본의 후가쿠(Fugaku) 슈퍼컴퓨터가 가동을 시작하고, 코로나19 팬데믹 대응을 위한 고성능 컴퓨팅(HPC)의 중요성이 부각되면서 향후 몇 년간 달성될 성과에 대한 기대감을 높였습니다. 브리스톨 대학교 HPC 연구 그룹 책임자인 필자는 Arm 기반 슈퍼컴퓨터 'Isambard'가 2020년 눈부신 활약을 펼쳤다고 전했습니다. 2018년 출시된 Marvell ThunderX2 Arm 기반 시스템은 10,500개의 Arm 코어를 탑재했으며, 항공 공학부터 코로나19 확산 분석에 이르기까지 다양한 분야에서 연구자, 예측 전문가, 개발사들이 이 시스템의 강력한 성능을 성공적으로 활용했습니다. 최근 출시된 'Isambard 2'는 일본 후가쿠 슈퍼컴퓨터와 동일한 Fujitsu A64FX 프로세서 72개를 탑재했습니다. 현재 430명 이상의 등록 사용자가 Isambard 시스템을 통해 실제 과학 연구를 수행하고 있습니다. 영국 기상청은 날씨 및 기후 모델링에 이 시스템을 활용하고 있으며, 다양한 분야의 연구자들이 수백만 코어 시간을 할애하여 개별 프로젝트를 진행하고 있습니다. 페타플롭스에서 엑사플롭스로의 도약 1초에 1천조 번의 연산을 수행하는 페타플롭스(Petaflops)는 엄청난 컴퓨팅 속도를 의미합니다. 올해 후가쿠 슈퍼컴퓨터가 달성한 400 페타플롭스는 HPC 분야의 다음 목표인 엑사스케일(Exascale) 시대를 향한 중요한 이정표입니다. 1000 페타플롭스에 해당하는 엑사플롭스(Exaflops)급 슈퍼컴퓨터 개발은 이미 진행 중이며, 미국에서는 2021년 말 또는 2022년 초에 이러한 수준의 처리 속도를 달성하는 시스템을 볼 수 있을 것으로 예상됩니다. 차세대 슈퍼컴퓨터 개발은 국제적인 경쟁의 양상을 띠고 있습니다. 각국 정부는 핵무기 모델링과 같은 국가 안보 문제부터 신기술 테스트를 통한 산업 경쟁력 강화에 이르기까지, 더욱 강력한 컴퓨팅 파워를 다양한 분야에 적용하고자 합니다. 이에 따라 중국, 일본, 유럽에서도 엑사스케일 시대를 향한 계획이 추진되고 있습니다. 성능 향상뿐만 아니라 사용 편의성도 중요합니다. Isambard 프로젝트의 성공은 현재 슈퍼컴퓨터 시스템이 얼마나 사용하기 쉬워졌는지를 보여줍니다. 이는 몬트블랑(Mont-Blanc) 프로젝트의 기반 작업과 최근 Hewlett Packard Enterprises(HPE)에 인수된 Cray가 Arm 기반 HPC를 위한 완벽하고 강력한 소프트웨어 스택을 구축한 덕분입니다. Isambard의 ThunderX2 CPU는 Arm 프로세서의 성능 경쟁력을 입증했으며, Isambard 2의 Fujitsu A64FX CPU는 한 단계 더 발전된 성능을 제공합니다. 이러한 새로운 프로세서와 함께 HPE의 최신 Cray 소프트웨어, Arm 컴파일러, GNU 도구 등이 통합되었으며, 향후 Fujitsu 컴파일러도 지원될 예정입니다. 사용자는 Arm 프로세서의 확장 벡터 확장(SVE) 기능과 같은 최신 기술을 활용하여 코드를 최적화하고 최고의 성능을 끌어낼 수 있습니다. HPC는 수소 저장용 메타물질 모델링부터 코로나19 바이러스의 분자 수준 시뮬레이션에 이르기까지 매우 광범위한 분야를 아우릅니다. 엑사스케일 컴퓨팅은 더 복잡한 문제를 해결하고 더 많은 과학적 통찰력을 얻을 수 있는 길을 열어줄 것입니다. 엑사스케일 컴퓨팅은 향후 30년, 혹은 제타스케일(Zettascale, 1000 엑사플롭스)에 도달할 때까지 컴퓨팅 분야의 흐름을 바꿀 것으로 예상됩니다. 엑사스케일의 확장성 유럽의 대규모 프로젝트들은 엑사스케일 슈퍼컴퓨터가 가동될 때 모델링 및 시뮬레이션 활동의 어떤 부분을 활용할 수 있을지에 대한 명확한 계획을 수립하고 있습니다. 날씨 및 기후 변화 연구는 이러한 차세대 기술을 활용할 수 있는 주요 분야 중 하나입니다. 현재 날씨나 기후 변화의 영향을 예측할 때 지구를 10km x 10km 격자로 나누어 분석합니다. 하지만 더 강력한 컴퓨팅 파워를 통해 이 모니터링 및 모델링 해상도를 1km x 1km까지 높일 수 있다면, 정확도가 비약적으로 향상되고 주변 환경에 대한 매우 상세한 시뮬레이션이 가능해집니다. 슈퍼컴퓨터 기반 모델링 없이는 기후 변화에 대한 이해가 훨씬 부족했을 것입니다. 엑사스케일 컴퓨팅을 통해 개별 구름이나 특정 계곡의 기후까지 모델링할 수 있게 됩니다. 이러한 수준의 시뮬레이션은 정확하고 구체적인 연구 결과를 바탕으로 인명 피해를 줄이고 수백만 달러의 손실을 예방하는 새로운 역량을 제공할 것입니다. 기후 모델링 분야에서는 변화하는 기후의 영향과 우리의 행동이 미치는 영향에 대한 더 큰 확실성을 바탕으로 구체적이고 지역적인 결과를 도출하여 정책 결정에 기여할 수 있습니다. 브리스톨 대학교와 Rolls-Royce가 참여하는 ASiMoV 프로젝트는 현재 제트 엔진의 일부에 대한 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 전산 유체 역학을 사용하여 엔진 팬 블레이드를 통과하는 가스의 흐름을 모델링합니다. 전체 엔진을 시뮬레이션하는 것, 즉 응력, 변형, 마찰, 전자기, 연소 등을 서브밀리미터 정확도로 모니터링하는 것은 엑사스케일 수준의 문제입니다. 이러한 수준의 시뮬레이션은 항공뿐만 아니라 다른 엔지니어링 분야에서도 새로운 재료와 접근 방식을 정확하게 테스트할 수 있게 하여 훨씬 더 효율적이고 친환경적인 엔진을 개발할 잠재력을 가지고 있습니다. 신약 개발의 새로운 지평 올해 전 세계 슈퍼컴퓨터는 코로나19와의 싸움에 동원되었습니다. 과거보다 훨씬 빠른 속도로 바이러스 구조를 파악할 수 있었으며, 슈퍼컴퓨터 모델링은 바이러스가 어떻게 세포에 달라붙어 DNA를 주입하는지를 설명하는 데 사용되었습니다. 과학자들이 백신 개발 가능성을 신속하게 탐색할 수 있었던 이유 중 하나는 분자 모델에서 치료법, 약물, 항바이러스제를 테스트할 수 있었기 때문입니다. 이는 신약 개발 및 환자 테스트에 있어 상당한 진전을 가져왔습니다. HPC의 도움으로 이전에는 이렇게 철저하게 이해된 바이러스는 없었습니다. 미래에는 HPC를 통해 원자 수준에서 바이러스를 이해하고, 특정 과제에 최적화된 약물을 자동으로 설계할 수 있게 될 것입니다. 바이러스의 분자 구조를 파악하면, 알고리즘과 의료 전문가의 협력을 통해 기존 약물 라이브러리를 탐색하는 대신 처음부터 올바른 약물을 설계할 수 있습니다. 아직 더 많은 연구가 필요하지만, 이는 현재의 신약 발견 방식을 넘어 합리적인 신약 설계로 나아가는 길입니다. 이를 통해 바이러스 치료제 개발에 소요되는 시간을 몇 달 수준으로 단축할 수 있을 것입니다. 초고효율의 중요성 이러한 과제를 해결하기 위해 슈퍼컴퓨터의 처리 속도와 성능을 높이는 동시에, 전력 공급이라는 또 다른 주요 과제에 직면해 있습니다. 후가쿠가 Arm 아키텍처 덕분에 보여준 놀라운 효율성은 주목할 만합니다. 물론 더 에너지 효율적인 특수 시스템도 존재하지만, 일반 목적의 슈퍼컴퓨터 중 이와 비슷한 수준의 효율성을 보여주는 시스템은 없습니다. 하지만 20-30MW의 전력을 소비하는 상황에서, 지속 가능한 방식으로 전력을 공급하고 최대한 효율적으로 작동하는 컴퓨팅 기술을 계속 개발하는 것이 중요합니다. 엑사스케일 시대로 나아가면서 이러한 복잡한 시뮬레이션과 모델링에 필요한 전력을 어떻게 공급할 것인가는 여전히 큰 질문입니다. 기술 발전의 양상 또한 논의의 여지가 있습니다. 만약 1000 엑사플롭스에 도달한다면 컴퓨팅 속도의 제타스케일 시대에 도달하게 됩니다. 무어의 법칙(Moore's Law)의 끝이 가까워지고 있는 현대 기술로 이를 달성할 수 있을지는 불확실합니다. 동시에, 필요는 발명의 어머니라는 말처럼, 오늘날 극복하기 어려워 보이는 문제들이 오히려 이러한 장벽을 극복하기 위한 동기가 될 수 있습니다. 미래를 향한 전망 Arm이 30주년을 맞이한 지금, 앞으로 30년 동안 어떤 일이 일어날지 상상하는 것은 흥미롭습니다. 2050년까지 인간의 신체 작동 방식에 대한 훨씬 더 완전한 모델을 갖추게 되어 합리적인 신약 설계와 임상 시험 기간 단축이 가능해질 수 있습니다. 또한 개인의 유전체 정보에 기반한 맞춤형 의학 및 백신 개발도 슈퍼컴퓨터 모델링을 통해 실현될 수 있습니다. 2050년에는 제트 엔진이 가상 시뮬레이션만으로 완전히 설계되고 인증되어, 첫 번째 물리적 작동 엔진이 바로 생산 라인으로 투입될 수도 있습니다. 엑사스케일 시대에는 지구 기후를 모니터링하고 예측하는 능력이 1000배 강력해질 것입니다. 오늘날 100개의 Arm 코어를 가진 칩은 2050년에는 수천 개의 코어를 탑재할 수 있으며, SVE의 후속 기술도 발명될 것입니다. 또한 빛이 전자를 대체하여 메시지를 전달하는 광학 인터커넥트와 같은 혁신도 기대됩니다. 칩의 처리 능력에 대한 근본적인 잠재력은 여전히 남아 있습니다. 이러한 발전을 가능하게 할 요소나 시기는 불분명할 수 있습니다. 분명한 것은 연구자와 기업들이 이러한 발전을 위해 혁신하고 있으며, 슈퍼컴퓨터는 인류가 직면한 가장 큰 도전 과제들을 극복할 수 있는 과학적 돌파구의 중심에서 계속 작동하고 있다는 사실입니다. Arm HPC 솔루션, Arm Neoverse를 포함한 Arm의 HPC 솔루션은 현재와 미래의 HPC 커뮤니티의 요구를 충족합니다. Arm의 지속적인 아키텍처 발전은 설계자들에게 슈퍼컴퓨터 설계에 있어 혁신할 수 있는 자유와 유연성을 제공합니다. Arm 기술이 가장 까다로운 HPC 애플리케이션의 요구 사항을 어떻게 충족하는지 알아보십시오.