1초에 10의 18 제곱 연산... ‘엑사스케일 컴퓨팅’이 온다.

지난 수십 년간 IT 분야의 발전은 다른 기술 분야를 압도했다. 따라서 데이터를 표현하는 단위나 연산 능력을 표현하는 단위는 급속도로 커지고 있다. 킬로, 메가, 기가, 테라 단위는 이미 일반 사용자에게도 익숙하다. 대규모 데이터 센터에서는 페타바이트급 스토리지도 놀라운 일이 아니다. 슈퍼컴퓨터의 영역에서는 페타플롭스(PFLOPS, 초당 10의 15 제곱. 즉 1초당 1,000조 번의 연산처리) 단위의 연산능력을 지닌 슈퍼컴퓨터들이 이미 사용되고 있다.

그러면 페타 다음 단위는 무엇일까? 정답은 엑사(Exa)이다. 당연한 이야기지만 현재 슈퍼컴퓨터 개발의 목표는 엑사플롭스(exaFLOPS) 연산 능력을 돌파하는 것이다. 이는 초당 10의 18 제곱연산을 의미하는 것으로, 다른 말로는 1초당 100경 번의 연산처리를 의미하는 것이다. 이런 슈퍼컴퓨터는 미래 기상 변화 예측, 핵물리학, 핵융합 연구 등 다양한 분야에 사용된다. 이 분야에서 선두를 차지하는 것은 실용적인 측면은 물론이고, 강대국 간의 자존심 싸움이기도 하다.

미국은 일찍부터 엑사스케일 컴퓨팅(Exascale computing)에 투자를 해왔다. 2012년 미 에너지부(DOE) 산하의 국립 핵안보국(National Nuclear Security Administration)을 비롯한 연방 정부 기관들은 1억 2,600만 달러의 예산을 투입했다. 미국 국방 고등 연구 계획국(Defense Advanced Research Projects Agency: DARPA)는 더 구체적인 목표를 설정했다. 와트(W)당 50 GFLOPS 의 전력 대 연산 효율이 그것으로 이는 20MW의 전력 사용으로 엑사플롭스 성능을 달성해야 한다는 의미였다.

몇몇 미국 내 기업들 역시 이 분야에 지대한 관심이 있는데, 대표적인 기업이 IBM, 인텔, 엔비디아 등이다. 이들 역시 이 분야에서 선두를 유치해 고성능 컴퓨터(HPC) 시장에서 지배적 위치에 오르기 위해 노력하고 있다. 그리고 이들이 만든 부품들이 현재 세계 최고 성능 슈퍼컴퓨터에 사용되고 있다.

▲ 그래픽 프로세서(GPU)를 이용한 선두 주자 엔비디아, 그리고 IBM

국내에는 그래픽 카드인 지포스 시리즈로 더 잘 알려진 엔비디아는 자사의 그래픽 프로세서를 그래픽 연산뿐이 아니라 일반 연산용으로도 사용할 수 있다는 점을 깨닫고 ‘테슬라’ 제품군을 출시했다. 이는 GPGPU라고 불렸는데 초기 제품들은 제한된 병렬 연산에서만 강점을 보였으나 몇 세대를 거치면서 강력한 연산 능력을 지닌 병렬 프로세서로 진화했다. 현재 테슬라 제품군은 고성능 슈퍼컴퓨터 시장에서 강력한 영향력을 지니고 있는데, 2012년 최초로 10페타플롭스의 벽을 깬 크레이(Cray)의 타이탄(Titan)이 바로 18,688개의 엔비디아 테슬라 K20X GPU를 사용한 제품이다. 이 슈퍼컴퓨터는 성능을 측정하는 LINPACK 테스트에서 17.59페타플롭스의 성능을 기록했다.

테슬라 K20은 케플러 아키텍처를 사용하고 있는데 엔비디아는 이미 그 후속 GPU를 개발하는 중이다. 이 중에서 2017년쯤 출시를 예상하고 있는 볼타(Volta) GPU 기반 제품을 사용한 슈퍼컴퓨터는 최대 300페타플롭스의 성능을 지닐 것으로 예상하고 있다. 엔비디아는 IBM과 손을 잡고(IBM 은 여기에 자사의 Power9 CPU를 사용한다. 참고로 IBM은 PowerPC 프로세서를 사용한 세쿼이아로 2011년 세계 최고 성능 슈퍼컴퓨터 자리를 차지한 바 있다) 차기 슈퍼컴퓨터를 개발 중인데 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)에 공급할 서밋(Summit)과 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에 공급할 시에라 (Sierra)가 그것이다. 서밋은 150에서 300페타플롭스급 성능을 지녔으며 시에라는 100페타플롭스급 성능을 목표로 하고 있다.

본래 엑사스케일 목표는 2018에서 2020년 사이에 최초의 엑사플롭스 연산 능력을 돌파한다는 것이었는데 서밋과 시에라의 존재는 그 가능성을 높이고 있다. 볼타와 Power9 프로세서 다음 프로세서는 엑사플롭스에 도달하든지 아니면 그 근방에 위치할 가능성이 높다.

▲ CPU 시장의 절대 강자 인텔

세계 최대의 반도체 회사이자 역시 세계 최대의 프로세서 제조사인 인텔 역시 슈퍼컴퓨터 시장에 지대한 관심이 있다. 인텔 역시 2012년부터 엑사스케일 컴퓨터에 투자를 진행했다. 그런데 이미 강력한 CPU들을 가진 인텔이지만 엔비디아를 견제하기 위해서는 완전히 새로운 제품이 필요했다. 인텔이 내놓은 카드는 제온 파이(Xeon Phi)였다. X86 아키텍처 기반 코어를 여러 개 병렬로 연결한 제온 파이는 첫 등장부터 엔비디아를 강력하게 견제했다.

2013년, 국방 과학기술 대학(國防科學技術大學 National University of Defense Technology (NUDT))의 주도로 중국의 국립 슈퍼컴퓨터 센터에 텐허-2(Tianhe – 2, 天河-2. 은하-2라는 뜻)라는 슈퍼컴퓨터가 건설되었다. 이 슈퍼컴퓨터는 인텔의 제온 CPU 32,000개와 48,000개의 제온 파이 코프로세서를 사용했다. 최근 이 슈퍼컴퓨터는 33.86 페타플롭스의 기록으로 세계에서 가장 빠른 컴퓨터의 타이틀을 차지했다. 사실 텐허-1은 엔비디아의 테슬라 제품을 사용했는데 텐허-2는 인텔 제품을 사용한 것이다.



텐허-2 에 사용된 코드명 나이츠 코너(Knights Corner)는 1개의 프로세서로 테라플롭스 연산을 가능하게 한다. 하지만 경쟁사도 더 강력한 제품을 준비하는 만큼 인텔 역시 더 강력한 프로세서를 준비 중이다. 2015년 등장 예정인 나이츠 랜딩(Knights Landing)은 1개의 프로세서가 3테라플롭스급 연산 능력을 지니고 있다고 한다. 그리고 2017년에는 10nm 공정을 이용한 나이츠 힐(Knights Hill)까지 준비하고 있다.

인텔은 나이츠 랜딩이 현재 텐허-2가 가진 능력보다 2배 이상 빠른 연산 능력을 지닌 100 페타플롭스급 슈퍼컴퓨터를 가능하게 할 것이라고 보고 있다. 최근 그 존재를 공개한 나이츠 힐은 이보다 몇 배 강력한 능력을 지닐 가능성이 높다. 이렇게 되면 인텔 역시 2020년쯤 해서 엑사플롭스 혹은 그에 근접한 슈퍼컴퓨터를 만들 수 있게 될 것이다.

▲ 뒤처진 국내 슈퍼컴...100위 내 하나도 없어

올해 11월을 기준으로 세계 500대 슈퍼컴퓨터 1위는 앞서 언급한 텐허-2이다. 2위는 타이탄, 3위는 세쿼이아였다. 비록 중국이 1위를 차지하긴 했지만 사용된 프로세서는 모두 미국 제품이다. 텐허는 모두 인텔, 타이탄은 AMD CPU와 엔비디아 테슬라, 세쿼이아는 IBM 프로세서를 사용한다. 4위인 케이 컴퓨터만 일본 후지쯔가 생산한 SPARC64 VIIIfx CPU를 사용할 뿐이다. 이 분야에서 미국의 힘을 느끼게 하는 대목이다. 사실 세계 500대 슈퍼컴퓨터 중 231대가 미국에 있다.

물론 한국 역시 탑 500안에 들어가는 슈퍼컴퓨터 보유국이다. 기상청과 한국과학기술정보연구원(KISTI) 등이 9대의 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있지만 최근 몇 년간 순위가 많이 내려갔다. 사실 현재는 100위안에 드는 슈퍼컴퓨터가 없다. 국내에서 가장 빠른 컴퓨터로 기상청 슈퍼컴퓨터 ‘우리’가 최근 순위에 148위로 등장했는데 339테라플롭스 수준이다.

사실 한국이 미국, 중국, 일본, 유럽보다 뒤처진 부분은 슈퍼컴퓨터 자체보다 이를 활용하는 수준이라는 지적이 많다. 일단 슈퍼컴퓨터를 널리 사용하게 되면 슈퍼컴퓨터에 대한 투자는 자연스럽게 늘어나게 될 것이고 우리나라의 순위도 크게 오를 수 있을 것이다. 즉 활용 능력을 먼저 높이는 것이 중요하다는 이야기다. 무턱대고 고성능 슈퍼컴퓨터를 도입해도 사용할 연구가 없다면 무용지물에 불과하다.

현재의 발전 속도를 생각하면 엑사플롭스급 슈퍼컴퓨터도 먼 미래의 일은 아닐 가능성이 높다. 지금은 엄청나게 빠른 것 같은 페타플롭스급 컴퓨터도 미래에는 흔하게 될 것이다. 이런 고성능 컴퓨터를 사용한 연구를 통해 앞서가는 선진국을 따라잡기 위해서는 우리 역시 늦지 않게 슈퍼컴퓨터 생태계 확산을 위해 노력해야 할 것이다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com