슈퍼컴퓨터는 얼마나 빠를까? 4차 산업혁명 시대의 두뇌, 슈퍼컴퓨터

4차 산업혁명 시대를 맞이하여 인공지능과 사물인터넷 기술이 비약적으로 발전하고 있습니다. 이러한 상황에서 슈퍼컴퓨터에 대한 대중의 관심도 더욱 커지고 있습니다. 

슈퍼컴퓨터란, 그 이름과 같이 거대한 연산능력을 보유하여 보통의 컴퓨터보다 월등한 성능을 가진 컴퓨터를 말합니다. 일기 예보, 암호 해독, 양자역학적 시뮬레이션 등 복잡한 계산이 필요하고 다량의 데이터를 신속하게 처리하는 작업에서 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 4차 산업혁명 시대에 힘찬 활약이 기대되는 슈퍼컴퓨터와 그와 관련된 지식재산권을 소개해 드립니다.

○ 슈퍼컴퓨터의 연산 속도

컴퓨터의 기능을 말해주는 척도로 가장 대표적인 것이 바로 연산 속도입니다. 연산 속도를 비교하기 위한 값으로 가장 직관적인 것으로는 IPS(Instructions per second)가 있는데요. 컴퓨터의 중앙처리장치가 1초에 처리하는 명령의 수를 말합니다. 그러나 복잡한 명령어 집합을 가지는 Complex Instruction Set Computer의 경우에는 명령의 종류에 따라 처리하는 시간이 다르므로 IPS를 정확하게 정의하기 어렵습니다. 또한 데이터의 양과 종류에 따라 명령의 처리 속도가 달라집니다. 같은 데이터와 명령이라도 처리 순서가 달라지면 속도가 달라지는 경우가 다반사이기에, IPS 대신 컴퓨터 성능을 비교하기 위한 다른 척도가 필요하게 되었습니다.

<미국 플로리다 주에 위치한 로렌스 리버모어 국립 연구소의 모습 (출처 :로렌스 리버모어 연구소) >

이때 등장한 것이 FLOPS(Floating Point Operation per Second)입니다. 컴퓨터가 1초에 처리할 수 있는 부동 소수점 연산의 수를 말하는 것입니다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소의 프랭크 맥메이헌이라는 연구자가 슈퍼컴퓨터의 성능을 정량적으로 비교하고자 제안한 것입니다. 부동 소수점은 아주 큰 수나 아주 작은 수를 컴퓨터에서 나타내는 방법입니다. 소수점의 위치를 유동적으로 바꿀 수 있어서 필요에 따라 소수점 앞 자릿수, 뒷자리 수를 조절할 수 있습니다. 이 때문에 부동 소수점은 컴퓨터에서 수를 나타내는 방법으로 널리 쓰이며, FLOPS는 부동 소수점으로 표현된 수에 대한 연산 횟수를 측정합니다. FLOPS 기준으로 현재 세계에서 가장 뛰어난 슈퍼컴퓨터는 미국의 하드웨어 기업인 IBM이 보유한 것으로, 약 15경 FLOPS의 실측 연산 속도를 자랑하고 있습니다. 쉽게 말하면 초당 15경 번의 계산을 하는 것입니다.

○ 슈퍼컴퓨터의 구조, 병렬 컴퓨팅

< 기상청 슈퍼컴퓨터 2~4호기 (출처 : 기상청) >

슈퍼컴퓨터는 일반적으로 상용되는 컴퓨터에 비해 FLOPS가 훨씬 높습니다. 이것이 가능한 이유는 우수한 부품을 사용하는 탓도 있지만, 무엇보다 부품의 수와 여러 부품을 효율적으로 연동하는 구조에서 비롯되는 것입니다. 여기서 일반 컴퓨터와 대비되는 월등한 성능의 격차가 나타나고 있습니다. 단일 중앙처리장치가 아닌 여러 개의 중앙처리장치를 연동해 동작하는 병렬연산, 혹은 병렬컴퓨팅을 사용하게 됩니다. 하나의 큰 문제를 여러 작은 문제로 쪼개서 여러 처리장치로 동시에 연산하기 때문에 구조의 효율성이 증대되는 것입니다.

○ 슈퍼컴퓨터의 개발

< Cray-1의 모습 (출처 : 브리태니커 백과사전) >

세이모어 크레이는 슈퍼컴퓨터의 대표적인 초기 개발자입니다. 그가 창립한 슈퍼컴퓨터 전문회사 크레이는 1976년 상업적으로 큰 성공을 거둔 슈퍼컴퓨터 Cray-1을 출시하였습니다. 이후 전자공학 기술이 급속도로 발전함에 따라 컴퓨터에 쓰이는 처리장치의 성능 역시 기하급수적으로 발전하였지만, 슈퍼컴퓨터가 산업 현장에 활용되기에는 여전히 부족하였습니다. 따라서, 여러 처리장치를 함께 사용하여 처리 속도를 높이는 병력 컴퓨팅의 개념이 곧바로 슈퍼컴퓨터에 적용되기 시작하였습니다. Cray-1의 차기작인 Cray-2에서 8개의 중앙처리장치를 효과적으로 연결하는 데 성공하였고, 당시에 세계 1위 연산속도와 슈퍼컴퓨터였던 소련의 M-13 모델 다음으로 빠른 연산속도를 기록하면서 시장의 큰 주목을 받게 됩니다. M-13의 경우 소련의 경제 상황으로 인해 시장에서의 성공은 거두지 못하였습니다.

○ 개인 컴퓨터를 슈퍼컴퓨터로

슈퍼컴퓨터의 획기적인 전기를 마련하였던 병렬 컴퓨팅의 개념은, 현대에 이르러서는 분산연산의 개념으로 발전하게 되었습니다. 한 장소에 모여 있는 하나의 커다란 슈퍼컴퓨터가 아닌, 여러 장소의 분산된 수많은 컴퓨터를 연동하여 하나의 슈퍼컴퓨터처럼 사용하는 것입니다. 분산연산은 병렬 컴퓨팅과 많은 공통점을 가지고 이 둘을 서로 구분하는 명확한 경계선은 없습니다. 과거에는 병렬 컴퓨팅의 경우 여러 처리장치가 하나의 메모리를 공유하는 반면에, 분산연산은 각각의 처리장치가 각자의 메모리를 따로 사용한다고 구별하였습니다. 현재는 이와 같은 구분보다는, 처리장치 간에 결합된 정도를 기준으로 구별합니다. 현재 쓰이는 대부분 슈퍼컴퓨터에 해당하는 클러스터 시스템은 수백, 수천 대의 서버를 고속 네트워크로 연결한 형태로 서버별로 메모리를 개별적으로 사용합니다. 따라서 병렬 시스템인 동시에 분산 시스템으로 볼 수 있는 것입니다.

○ 우리나라 슈퍼컴퓨터, 누리온

< 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온의 가동 모습 (출처 : 한국과학기술정보연구원) >

우리나라는 4차 산업혁명의 선도국답게 슈퍼컴퓨터에도 많은 투자를 진행하여 획기적인 성과를 거두고 있습니다. 대전에 위치한 한국과학기술정보연구원(KISTI)가 보유한 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온이 대표적입니다. 누리온은 2018년 독일 프랑크푸르트에서 개최된 국제슈퍼컴퓨팅컨퍼런스(ISC’18)에서 FLOPS 기준 세계 11위를 기록하였습니다. Cray의 제품으로 2경 5천 7백조 FLOPS의 이론성능을 갖는 이 슈퍼컴퓨터는 한국과학기술정보연구원이 보유한 GPU 기반 시스템과 함께 국내 여러 연구개발에 슈퍼컴퓨터 자원을 제공하며 국가 과학기술 발전에 기여하고 있습니다. 한국과학기술정보연구원에 따르면, 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온은 1소켓(CPU)당 성능이 3조 FLOPS나 되는 매니코어 CPU가 약 8,300여개가 있어 국내 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터 등을 주도할 수 있는 특징이 있다고 합니다. 또한 고성능 인터커넥트, 대용량 저장공간, 그리고 버스트 버퍼(Burst Buffer : 순간적으로 발생하는 대규모 I/O 요청을 원활히 처리할 수 있는 프로그램) 등이 있습니다.

○ 슈퍼컴퓨터 기술의 특허 현황

‘슈퍼컴퓨터’를 표제로 하여 키프리스의 특허·실용신안에 검색한 결과, 현재 총 15,563건(2020년 11월 23일 현재)의 검색 결과가 산출되었습니다. 과거에서부터 슈퍼컴퓨터 연산 방법으로 이용된 병렬 컴퓨팅 방법이 등록특허의 대다수를 이루고 있지만, 2010년부터는 분산연산을 활용한 슈퍼컴퓨터 등록특허도 빈번히 나타나고 있습니다.

< 슈퍼컴퓨터 환경에서 병렬 컴퓨팅 시스템 및 방법 (출처 : 키프리스) >

위의 기술은 ‘슈퍼컴퓨터 환경에서 병렬 컴퓨팅 시스템 및 방법(특허 제10-1769779호)’입니다. 이공계 연구중심 대학인 대구경북과학기술원에서 발명하였습니다. 고성능 병렬 컴퓨팅을 수행하는 자동화된 컴퓨팅 시스템 및 방법에 관한 것입니다. 각자 연산을 수행하는 수많은 계산 노드를 병렬적으로 연결하고, 이를 전체적으로 관할하는 관리 노드를 두어 총괄하도록 함으로써 병렬 컴퓨팅의 연산 효율도를 높인 것이 특징입니다.

지금까지 4차 산업혁명 시대에 국가와 기업의 두뇌 역할을 할 슈퍼컴퓨터의 원리와 이와 관련한 지식재산권의 현황을 알아보았습니다. 아직 상업적으로 활용되는 폭이 넓지 않아 조금은 아쉬웠는데요. 앞으로는 국책 연구기관을 넘어서 더 많은 민간의 국내 기업들이 혁신적인 슈퍼컴퓨터 기술의 발전을 이루어 내어 풍성한 지식재산권 출원 및 등록에 성공하기를 기원하고 기대해 봅니다. (자료인용 : 특허청)