2017. 8. 31. 국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안 A Strategy for enforcing the National Supercomputing Capability 추형석선임연구원
본보고서는 과학기술정보통신부정보통신진흥기금 을지원받아제작한것으로과학기술정보통신부의공식의견과다를수있습니다. 본보고서의내용은연구진의개인견해이며, 본보고서와관련한의문사항또는수정 보완할필요가있는경우에는아래연락처로연락해주시기바랍니다. 소프트웨어정책연구소기술 공학연구실추형석선임연구원 (hchu@spri.kr)
슈퍼컴퓨팅기술력은국가의과학기술경쟁력을가늠하는지표로종종사용된다. 컴퓨터과학의정수가결집된슈퍼컴퓨터는컴퓨터의본질적인기능인계산을극대화하여도전적인문제를해결하는도구로활용한다. 새로운소립자의발견, 기후예측, 신소재개발등에활용되는슈퍼컴퓨팅기술은곧기초과학경쟁력과직결될만큼국가경쟁력과밀접한관계에있다. 본보고서에서는슈퍼컴퓨팅기술의국내외동향을살펴보고, 우리나라의슈퍼컴퓨팅역량강화방안을제안하고자한다. 지난 50년간슈퍼컴퓨터의성능은연산처리장치의지수적인성장과발맞춰향상됐다. 그러나 연산처리장치의성능은 18개월마다 2배씩향상된다. 라는무어의법칙은깨어질위기에놓여있다. 반도체제조공정상의물리적한계때문이다. 2배성능향상을달성하기위해소요되는시간이길어짐에따라슈퍼컴퓨터의지수적인성능향상역시정체기에들어섰다. 따라서슈퍼컴퓨팅기술의혁신적인발전이시급한실정이다. 슈퍼컴퓨팅기술혁신을위해해외선진국은천문학적인재원과역량을투입하고있다. 전통적인슈퍼컴퓨터강국인미국은지난 2008년부터혁신을위한노력을기울여왔으며, 차세대슈퍼컴퓨터개발을위해연간 5천억원이상총액 5조원에육박하는예산을투자하고있다. 중국은풍부한자금력으로슈퍼컴퓨터를확보하는데중점을두었으며, 최근자체개발에성공하여자국기술만으로세계 1위를차지함에따라미국일변도의슈퍼컴퓨터시장을위협하고있다. 일본은자연재해예측이라는현실적인수요에의해슈퍼컴퓨팅기술이발전한국가로, 차세대슈퍼컴퓨터개발에 1조 2천억원의재원을투입하고있다. 우리나라도지난 2011년 국가초고성능컴퓨터활용및육성에관한법률 을제정하여슈퍼컴퓨터의순차적인도입과자체개발, 인력양성등에힘쓰고있다. 그러나국내연구수준이나환경을비춰볼때, 우리나라의슈퍼컴퓨터기술력은선진국과분명한격차가존재한다. 따라서국가슈퍼컴퓨팅역량강화를위해서는우리의실태를정확히파악하는것이선결돼야할과제다. 이를바탕으로우리의정책적전략을수립할필요가있다. 본보고서에서는국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안으로 (1단계) 정부주도의슈퍼컴퓨터특정요소기술의집중연구개발및기술추격을위한슈퍼컴퓨터자체개발과 (2단계) 슈퍼컴퓨팅기술의완전국산화달성으로슈퍼컴퓨터전문기업육성방안을제시했다.
Supercomputing is often used for measuring national competitiveness of science and technology. Supercomputer, which concentrates the essence of computer science, is utilized for solving challenge problems by maximizing computational performance. As the supercomputing technology is targeting a discovery of new elementary particle, climate changes, and development of new material, it has very close relationship with the competitiveness of natural science. In this report, I explained current status of domestic and international supercomputing. Based on this, I will suggest a strategy for enforcing the national supercomputing capability in Korea. In last five decades, the performance of supercomputer has increased dramatically following with exponential growth of processing units. However, the Moore s law, which demonstrate doubling cycle of processor performance in every 18 months, is now facing with being broken. This is because the physical limit of semiconductor. As it will take more time for doubling cycle, supercomputing is also facing with a problem in continuing exponential growth. Advanced countries invest tremendous budgets and capabilities to supercomputing technology even in this situation. United States, the best country for supercomputing, keeps investigating for next-generation supercomputing since 2008. U.S. government promises over 5 billion dollar to promote supercomputing and high performance computing (HPC). As China continues to defend top 1 supercomputer, China is one of advanced countries in supercomputing as well as global HPC market. Japan has continuous demands of supercomputing to prevent natural disaster like earthquake and tsunami. Japan also plans to develop next-generation supercomputer by investing 120 billion yen. For domestic status of supercomputing, a law ACT ON UTILIZATION AND FOSTERING OF NATIONAL SUPER-COMPUTERS has been enacted since 2011 to foster self-construction of supercomputing and professional manpower training. To compare with international status of supercomputing, Korea seems to be behind in supercomputing. In order to promote competitiveness of supercomputing, we should investigate deeply for what is our correct status and what field has to be invested first. In this report, I suggest two phase for a strategy of future supercomputing in Korea. (Phase 1) Concentrated investment for a specific fields of supercomputing and catching up technology by self-construction supercomputer. (Phase 2) Completing the localization of supercomputing and promoting professional supercomputing company.
1. 배경 1 2. 슈퍼컴퓨팅국내외현황 4 (1) 해외현황 4 (2) 국내현황 14 3. 국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안 17 4. 결론 20
1. Backgrounds 1 2. International and Domestic Status of Supercomputing 4 (1) International Status 4 (2) Domestic Status 14 3. A Strategy for Enforcing the National Supercomputing Capability 17 4. Conclusion 20
1. 배경 슈퍼컴퓨팅기술력은국가의 R&D 역량을대변하는중요한지표중하나 슈퍼컴퓨팅은실험적으로모사할수없는극한상황에서의컴퓨터시뮬레이션을통해자연현상의법칙을도출 - 나노단위의물성변화, 별의생성과소멸, 기후변화의전지구모델, 단백질접힘구조분석등실험이불가능한영역의시뮬레이션수행하여과학적난제를해결 - 컴퓨팅의성능이발전함에따라시뮬레이션의정확도가높아지고, 원자수준에서의모사가가능해짐에따라컴퓨팅의수요는지속적 * 으로발생 * 이소옥탄의에너지밀도를계산하기위해서는 2.75억개의연립방정식의해를찾아야하며, 이를실시간으로처리하려면일반 PC 3만대수준필요 선진국은슈퍼컴퓨터자체개발기술력을확보하여기초과학역량육성 - 미국은세계최고의슈퍼컴퓨터강국으로세계최초로고성능컴퓨팅관련법안이입법 * 되어, 민간기업의자발적인생태계조성 ** * 당시미국의부통령인앨고어주도로 High Performance Computing Act 법제정 (1991) ** CPU 생산기업 Intel과 AMD, GPU 생산기업 NVIDIA, FPGA 생산기업 Altera와 Xilinx, 슈퍼컴퓨터전문기업 Cray와 HPE 등민간기업이세계 1위의기술력보유 - 중국은풍부한자금력으로슈퍼컴퓨터환경을구축했으며, 지난해 6월자체기술력으로개발한슈퍼컴퓨터 선웨이타이후라이트 * 가세계정상을차지함에따라미국과양대주축을형성 * 중국은 2006년부터연산처리장치의국산화에노력을기울여 2016년고성능연산처리장치개발 (SW26010) 에성공했고, 이를바탕으로슈퍼컴퓨터생산 - 일본은지진과쓰나미예측등자국의물리적인환경 * 에의해슈퍼컴퓨팅기술이발전한나라로지난 2011년자국의기술력으로개발한 K 컴퓨터 가세계정상에등극 - 유럽은전통적인기초과학의강국으로자체개발보다는수요에의해슈퍼컴퓨팅환경을도입했으나, 2011년부터차세대고성능컴퓨팅자체개발에착수 1
고성능컴퓨팅환경의발전에수반하여최근인공지능기술이급격히발전하므로, 인공지능기술을본격적용하기위해서슈퍼컴퓨팅자원과기술력확보가시급함 2016년구글의바둑인공지능프로그램 AlphaGo는당시세계 300위권 1) 의고성능컴퓨팅환경을활용하여세계최정상바둑기사인이세돌 9단에게 4:1로승리 - AlphaGo에서활용한컴퓨팅환경은최대 1,920개의중앙연산처리장치 (CPU)* 와 280장의그래픽연산처리장치 (GPU) * CPU 개수는물리적인코어 ( 예 쿼드코어 CPU는 4개 ) 학습기반의인공지능으로각광을받고있는심층학습알고리즘은연산강도가높은세부알고리즘 (Subroutines) 으로구성되어고성능컴퓨팅환경의활용률을높이고유연한확장성을기대할수있음 1) - 연산강도는계산량과메모리전송량의비율로결정되고, 연산강도가높을수록현대연산처리장치의성능을극대화 * 할수있음 * 현대연산처리장치는계산성능이메모리전송속도보다월등히높은구조 - 연산강도가높은알고리즘일수록유연한확장성 * 을기대할수있으므로, 투입되는컴퓨팅환경에비례하여성능을보장 * 유연한확장성 (Scalability) 은두배의컴퓨팅환경이조성되면기존보다두배에가까운성능향상을보장할수있는경우 ( 이론성능대비 6~70% 수준 ) 일본은특히인공지능전용컴퓨팅플랫폼 ABCI 2) 를기획하여추진하는등적극적인행보 국내에서도초고성능컴퓨터법이제정되는등일부움직임을보이고있으나, 조속한기술력확보를위한국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안수립이시급함 해외선진국의슈퍼컴퓨팅기술현황과동향을분석하고, 국내현황을제시함 으로써우리의위치를객관적으로파악 슈퍼컴퓨팅기술의조속한국산화를위한국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안 마련필요 1) 인공지능의핵심인프라 고성능컴퓨팅환경의중요성 (2017.01.), 소프트웨어정책구소이슈리포트 2016-013 2) AI Bridging Computing Infrastructure, 195 억엔규모, half-precision 기준 130 페타플롭스성능 2
슈퍼컴퓨터요소기술 Ÿ 슈퍼컴퓨터는컴퓨터의본질적인기능인계산능력을극대화한기계로서고도의요소기술이필요함 슈퍼컴퓨터는물리적으로고성능컴퓨터수백대를고속상호연결망 (interconnection network) 으로연결시킨집합체로, 여러대의컴퓨터를동시에활용할수있는고성능컴퓨팅 (High Performance Computing, HPC) 기술이필수 슈퍼컴퓨터의대표적인하드웨어기술은직접계산을처리하는연산처리장치, 정보를고속으로처리하는메모리전송기술, 슈퍼컴퓨터를효율적으로운영하기위한설계등 이러한하드웨어를십분활용하기위한기술인소프트웨어요소기술은슈퍼컴퓨터의계산기능에최적화된운영체제와파일시스템, 수천만개의프로세스를동시처리할수있는병렬처리기술등 Ÿ 슈퍼컴퓨터의 HW 와 SW 기술은궁극적으로과학적인문제해결을위한기반이기때문에, 해결하고자하는분야의문제와긴밀한연계가중요 예를들어기후예측에필요한수치해석라이브러리의성능을최적화하기위해전용 HW 를설계하고이를구동하기위한 SW 를개발 자료 : 미래초고성능컴퓨팅생태계구축을위한국가슈퍼컴퓨팅인프라개발과구축 (2016.02.) 에서정리 3
2. 슈퍼컴퓨팅국내외현황 (1) 해외현황 세계동향 엑사스케일 (Exa-scale) 컴퓨팅 슈퍼컴퓨터의성능은무어의법칙 * 에의해지수적으로발전하는연산처리장치에 힘입어동반성장 * 무어의법칙은약 18 개월마다연산처리장치의성능이 2 배증가한다는이론 Flop/s( 초당부동소수점연산수 ) - 계산성능의척도 Ÿ Flop/s 는 Floating-point operations per second 의약자로초당부동소수점연산수를의미함 연산처리장치의연산능력을표현하는지표로슈퍼컴퓨터의성능비교등에사용함 알고리즘을실제로구현했을때필요한연산수를나타냄 현대슈퍼컴퓨터의성능을나타내는단위는테라플롭스 (TeraFlop/s, 초당 1 조 ), 페타플롭스 (PetaFlop/s, 초당 1 천조 ), 엑사플롭스 (ExaFlop/s, 초당 1 백경 ) 등이있음 Ÿ 부동소수점 (Floating-Point) 연산한개의기준은보통덧셈이나곱셈한개이나, 최근에는덧셈과곱셈을묶어서하나의연산으로간주함 수치적인연산이대부분덧셈과곱셈이동시에이루어지므로, 이를통합한기능이연산처리장치에탑재됨 ( 예, FMA 3) ) * 예를들어, 100 차원벡터두개를요소별로더하는알고리즘의연산수는 100flop 유효숫자 (precision) 에따라서성능을구분함 * 16-bit half precision, 32-bit single precision, 64-bit double precision - 페타스케일컴퓨팅환경은연산처리장치생산공정의발전 * 을토대로구축 했으나, 엑사스케일컴퓨팅은공정상의물리적한계 ** 로인해영향을받음 * 현재연산처리장치는 10nm(= 10-9 m) 공정으로진입 ** 10nm 이하의기술은양자터널링이라는물리적현상으로연산처리장치기능을 상실할가능성이큼 3) Fused Multiply-Add, https://en.wikipedia.org/wiki/multiply%e2%80%93accumulate_operation 4
- 연산처리장치의저성장기조에따라엑사스케일컴퓨팅환경은 HW 기술의혁신적인발전이없이는달성하기어려움 엑사스케일컴퓨팅은기술적으로커다란도전적인과제 (Grand Challenge) - 세계 1위의슈퍼컴퓨터를단순히확대해서엑사스케일을산출할경우소모전력은약 123MW( 메가와트 )* * 2017년 6월기준 1위슈퍼컴퓨터는 125PetaFlop/s의이론성능에 15.37MW 전력소비. 엑사스케일을달성하기위해서 8배의시스템을구축할경우 123MW 소비 서울시강북구의 14만가구가소비하는최대전력은약 144MW 전력당계산효율이가장우수한경우 (NVIDIA DGX SATURNV) 로산정을했을때엑사스케일에도달하기위해 71MW가필요 - 엑사스케일의주된화두중하나는저전력 (20MW 이하 ) 으로, 1와트당 50GigaFlop 을달성하는것이핵심도전과제 ( 세계최고수준 : 1와트당 14GigaFlop, 2017.06.) - 또한엑사스케일컴퓨터가구축되더라도현실적인난제 * 가많기때문에, 이를효율적으로해결할수있는 SW 기술이필요 * 예 ) 10억개이상의병렬처리를동시에처리해야하는문제, HW 아키텍처에대한지식없이도병렬처리효율성이높은프로그래밍툴 - 엑사스케일환경에서의응용분야문제를사전기획하고, 이를구현하기위한 SW와 HW기술이긴밀한협업이필요 엑사스케일컴퓨팅의목표달성은많은기대효과를산출 - 엑사스케일환경을선점하는국가는슈퍼컴퓨팅의세계선도자로자리매김 현재미국, 일본, 중국등슈퍼컴퓨팅기술선도국위주의경쟁구도형성 - 슈퍼컴퓨팅경쟁력확보는곧도전적인기초과학 R&D의역량과직결되고, 새로운과학적발견에기여 - 엑사스케일컴퓨팅은컴퓨팅장치의능력이인간의뇌수준과비슷해진다는점에서큰가치를시사 미국과일본은엑사스케일컴퓨팅을달성하기위한정책마련으로가장적극적인행보를보이고있고, 자체기술력으로급성장한중국역시엑사스케일컴퓨팅을위한시제품개발을진행중 5
( 미국 ) 세계최고의슈퍼컴퓨팅기술력보유 Ÿ 미국은중국의급격한성장세가위협하는상황을타개하기위해, 적극적인 R&D 기획과투자로엑사스케일시대의세계적선도자역할을목표 Ÿ 2016 년자국내민간기업과국책연구소의역량을십분활용하는엑사스케일컴퓨팅프로젝트 (Exascale Computing Project, ECP) 발족 미국은지난 2008 년부터엑사스케일컴퓨팅을목표로기술적난제를분석 하고도전적인과제를도출 4) - (2008, DARPA 5) ) 2008 년 6 월페타플롭스를달성한이후엑사스케일시스템의 가장중요한과제로전력수급, 메모리, 병렬처리, 오류회복력을제시 - (2010, ASCAC 6) ) 미국에너지부에서지정한과학기술난제 * 해결중심의전략 수립강조, 엑사스케일컴퓨팅구현과관련된도전과제로전력, 병렬처리 기술, 오류회복력을제시 * 이상기후, 가뭄과홍수등기후변화예측, 핵발전의효율성과안전등 - (2014, ASCAC) 2010 년보고서이후기술발전을반영하여더현실적인 10 대 과제를제시 * 하고엑사스케일컴퓨팅에대한정부투자를강조 * 전력효율성, 데이터전송, 메모리시스템, 확장성높은 SW, 데이터관리등 엑사스케일컴퓨팅프로젝트발족 (2016) - 대통령직속국가전략컴퓨팅이니셔티브 (2015.07.29.) 는미국의경제력과과학적 발견을뒷받침하는고성능컴퓨팅 (High Performance Computing, HPC) 기술진흥을 위하여 ECP 발족 - ECP 는미국에너지부산하과학연구소와국가핵보안국 7) 의협업체계구성 - 7 년기간동안약 35 ~ 57 억달러 (4 조 ~ 6 조 5 천억원 ) 의정부투자예상 8) * 연간 5,700 ~ 9,300 억원에달하는대규모투자계획 4) ExaScale Computing Study: Technology Challenges in Achieving Exasclae Systems (2008.09.), DARPA 5) 방위고등연구계획국 (Defense Advanced Research Projects Agency) 은도전적인미래기술을달성하기위한연구과제수행 6) 고등계산과학자문회 (Advanced Scientific Computing Advisory Committee) 은이공학적난제에대한이슈를다루는자문기구 7) 과학연구소 (Office of Science, SC), 국가핵보안국 (National Nuclear Security Administration, NNSA) 8) The U.S. Exascale Computing Project (2017.03.), Exasclae Computing Project 6
현재슈퍼컴퓨팅연산처리능력의발전은무어의법칙에서벗어나완만하게향상되는추세로엑사스케일개발을위해슈퍼컴퓨팅기술의총체적인 (holistic) 혁신이필수 ([ 그림 2] 참조 ) - 2021년엑사스케일시스템초기형태구축하고, 2022년에완성하며, 2023년에정식으로응용분야에적용할계획으로추진 자료 : The U.S. Exascale Computing Project (2017.03.) slide 18, ECP 총체적인혁신을달성하기위한기술적 4대핵심도전분야 (Four key technical challenges) 및세부내용제안 (< 표 1> 참조 ) 분야세부내용 병렬처리메모리오류복원에너지소비 - 현존하는시스템보다 1,000 배많은 10 억개의프로세스동시처리기술 - 가상의엑사스케일시스템을기반으로병렬처리 SW 구현 - 데이터과학, 기계학습을위한빅데이터의효율적인처리 - 메모리용량, 대역폭등을개선 ( 저전력 ) - 엑사스케일컴퓨팅의대규모병렬처리, 대규모메모리시스템의오류를최소화하기위한 SW 기술 - 약 10~20MW 수준으로엑사스케일시스템구현목표 - 에너지소비에직접적인관련이있는 HW 뿐만아니라, SW 측면에서의에너지절감연구 자료 : The U.S. D.O.E. Exascale Computing Project Goals and Challenges (2017.02.), ECP 7
ECP의철학은 HW, SW, 응용분야의공동설계 (Co-design) - 단순한 HW의성능으로엑사스케일환경을구현할수있다고해도, 이것을활용하기위한 SW기술, 나아가응용분야에적용하는기술적차이 (Gap) 가매우큼 - 따라서 ECP는엑사스케일환경을십분활용하기위해 HW, SW, 응용분야의상호유기적인협업을강조 자료 : Exascale Computing Project Update (2016.04.), ECP Co-design은슈퍼컴퓨터요소기술뿐만아니라산 학 연의협업도강조 - 먼저미국에너지부산하의응용분야에서엑사스케일컴퓨팅을활용하여해결하고자하는문제의범위정립하고, 문제를해결하기위한요구사항을 SW와 HW 연구과제에반영 - 엑사스케일은초고성능병렬처리를요구하므로이를해결할수있는 SW 선행연구가수반돼야하며, 특히이기종연산처리장치 9) 환경에서사용자가 HW의지식없이도성능최적화를할수있는프로그래밍언어개발필요 - 미국은세계최고의기술력을보유한 HPC 산업생태계를바탕으로, 응용분야와 SW가요구하는 HW 설계진행 9) 서로구조가다른 ( 예, CPU, GPU, FPGA, Accelerator) 연산처리장치를구현한환경 8
( 중국 ) 풍부한자금력과급성장한기술력으로미국과경쟁할수있는강국 Ÿ 중국은슈퍼컴퓨터자체개발기술력확보를위해 10 년간지속적인투자결과미국의아성을넘어자국기술력으로세계최고의슈퍼컴퓨터개발 Ÿ 슈퍼컴퓨팅에서미국과양강구도를형성하면서자국과학기술의역량강화 최근중국의슈퍼컴퓨팅기술은양적 질적으로크게발전함에따라, 중국의세계슈퍼컴퓨터점유율은현재미국과대등하며, 지난 5년간세계 1위슈퍼컴퓨터보유국을수성 - 막대한자금력으로미국의슈퍼컴퓨터를도입했으나, 이에위기감을느낀미국이슈퍼컴퓨터를전략제품으로지정하여중국으로수출을제재 - 그러나중국은 2006년부터연산처리장치개발 * 에지속적으로투자하여 2016년세계최고의슈퍼컴퓨터 선웨이타이후라이트 개발에성공 * 선웨이타이후라이트에탑재된연산처리장치인 SW26010은 260개의코어를보유한다중코어시스템 - 이를바탕으로슈퍼컴퓨팅의기술적독립을성공하여미국일변도의 HPC 생태계에위협적인존재로자리매김 중국의대규모내수시장만으로도기술발전을견인할수있는환경이조성됐기때문에향후행보가큰관심사 현존세계최고의슈퍼컴퓨터 선웨이타이후라이트 - 선웨이타이후라이트는중국장쑤성에위치한우시국가슈퍼컴퓨팅센터에설치되어과학기술적난제를해결하기위해활용 - 연산처리장치, 메모리통신망, 운영체제에이르기까지슈퍼컴퓨터의거의모든분야를자체기술력으로개발 - 93PetaFlop/s의실측성능을보유하고있으며 2016년 6월공개당시가장전력을적게소모하는 green500 10) 에서도 1위차지 - 2017년 6월 선웨이타이후라이트 의상용화를위한 선웨이마이크로 회사를설립하여세계 HPC 시장에진입 10) The Green500, https://www.top500.org/green500/ 9
자료 : 선웨이타이후라이트홈페이지, http://www.nsccwx.cn/wxcyw/index.php 중국이비약적인성장으로세계정상을차지했으나, 과학기술경쟁력은여전히미국에열세 11) - 표면상으로중국은슈퍼컴퓨터점유율의측면에서미국과비슷하지만, 중국의슈퍼컴퓨터는산업계의데이터센터나클라우드에집중 - 미국은과학기술을주도하는국책연구소나대학위주의슈퍼컴퓨터분포 구글의컴퓨팅인프라현황은 top500에집계되지않음 중국역시엑사스케일컴퓨팅경쟁대열에합류 - 2017년중국은엑사스케일시제품을공개할예정이고, 현재까지언급된정보를토대로봤을때범용 DSP* 나 ARM 기반연산처리장치가탑재될가능성이높음 * 디지털신호처리장치 (Digital Signal Processor) 로슈퍼컴퓨터에서는 SIMD 12) 형태 - 이시제품을활용해 2020년까지엑사스케일컴퓨팅환경확보를목표 중국은인공지능관련컴퓨팅수요를충족하기위해거대 IT기업위주의대규모컴퓨팅인프라를구축하여자국내생태계견실화 13) 11) Putting the Rise of Chinese Supercomputing in Perspective (2017.01.), top500.org 12) Single Instruction Multiple Data, 많은데이터가동일한연산을수행하는구조로수치해석의기반라이브러리인벡터 - 행렬연산의병렬처리에활용 10
( 일본 ) 자연재해예측이라는현실적인문제해결을위해슈퍼컴퓨팅기술이발전 Ÿ 일본은지리적인특성 ( 지진해일예측등 ) 에의해슈퍼컴퓨팅기술이발전한강국으로엑사스케일시스템인 Post-K 컴퓨터개발에주력 Ÿ 특히일본은인공지능을육성하기위한정책으로슈퍼컴퓨터급환경을지속적으로구축할계획 Flagship 2020 프로젝트는 Post-K 컴퓨터 14) 개발을위해명명된일본의엑사스케일프로젝트 - 일본역시미국과마찬가지로 Co-design 의철학을강조하여슈퍼컴퓨터개발과응용분야의긴밀한협업을추진 - 투입예산은총 1,100억엔 (1조 1453억원 ) 이며목표소모전력은 20~30MW - Flagship 2020은 9대응용분야 * 를선정하여사회적 국가적견지에서높은의의가있는문제해결 * 헬스케어, 재난예측, 에너지과학, 산업경쟁력강화, 기초과학등 - 2020년 Post-K 컴퓨터운영을목표로했으나, 최근연산처리장치개발상의난제와제조가격의상승등무어의법칙에서벗어나는현상으로 2021년하반기운용을목표 15) 자료 : HPC 計画について, (2017.03.) 위그림에서추진일정은 기본설계 시작 상세설계 ( 코스트 성능평가, 중간평가 ) 제조 ( 양산 ) 설치 조정 운용 13) Chinese Firms Racing to the Front of the AI Revolution (2017.02.), top500.org 14) 일본의 K 컴퓨터 는 2011 년세계에서정상을차지한슈퍼컴퓨터 15) HPC 計画について, (2017.03.) 文部科学省研究振興局参事官 ( 情報担当 ) 付計算科学技術推進室 11
일본은특히인공지능분야에슈퍼컴퓨터급환경구축을확산 - 미국과중국은글로벌 IT 기업 ( 구글, 바이두등 ) 이인공지능연구에적극적인행보를보이며선도하고있으나, 일본은이러한역할을수행할기업부족 - 따라서일본정부는인공지능컴퓨팅환경조성을토대로자국내인공지능연구개발경쟁력과생태계형성에기여를목표 - (ABCI) 일본의경제산업성이 195억엔의예산을투입하여 130PetaFlop/s* 와 3MW를만족하는인공지능전용클라우드인프라조성예정 (2018년 1분기 ) * 기준은 half-precision(16bit), 통상적인슈퍼컴퓨터성능은 double-precision(64-bit)** ** 따라서 ABCI의 double-precision 기준성능은 32.5PetaFlop/s 자료 : AI Bridging Cloud Infrastructure, (2016.11.) AIST - (TSUBAME 3.0*) 도쿄공업대학에 half-precision기준 47PetaFlop/s의성능을구축하여인공지능전용인프라로활용 * 2017 년 6월기준전력당계산성능을측정하는 green500 16) 순위에서 14.11GigaFlop 으로 1위 일본역시중국의등장으로슈퍼컴퓨팅시장의패권을잠시이양했으나, 엑사스케일컴퓨팅시스템구축을위한체계적인정책마련으로돌파구마련 - Fujitsu는일본이전략적으로육성한슈퍼컴퓨터생산기술보유기업 - 지진예측에서세계적인권위를보유하고있기때문에, 슈퍼컴퓨팅에대한정부의의지가확고 16) Green500.org, https://www.top500.org/green500/lists/2017/06/ 12
일본의슈퍼컴퓨터전문기업 Ÿ 2002 년세계최고의슈퍼컴퓨터인일본의지구모사시스템 (Earth Simulator) 는자국기업의슈퍼컴퓨팅경쟁력을강화하는동시에기후예측분야에의과학적발견을위한선도적입지를마련 17) 당시약 6 백억엔 (6 천억원 ) 이라는천문학적인금액을투자 일본의슈퍼컴퓨터기업인 NEC 가입찰에성공하여세계최고수준의슈퍼컴퓨터개발에성공하고 10km 격자의전지구모델링에활용 Ÿ 일본은자국내슈퍼컴퓨터전문기업을적극적으로지원하는정책을바탕으로슈퍼컴퓨팅기술국산화노력을경주 일본의글로벌슈퍼컴퓨터전문기업인 Fujitsu 는지난 2011 년세계최고의슈퍼컴퓨터인 K 컴퓨터를자체적으로개발 엑사스케일프로젝트인 Flagship2020 에도 Fujitsu 가슈퍼컴퓨터개발업체로선정 Fujitsu 는일본의정부출연연구소인이화학연구소 (RINKEN) 와긴밀한협업을통해차세대슈퍼컴퓨터수요에대응하는협력개발 (co-development) 체계구축 또한 Fujitsu 는연산처리장치를자체개발할수있는기술력을보유하고있을뿐만아니라, 운영체제나파일시스템과같은 SW 기술력도겸비하여명실상부한글로벌슈퍼컴퓨터기업으로도약 자료 : Wikipedia, 地球シミュレータ, 京 ( スーパーコンピュータ ) 17) Supercomputing Resurrected (2013.02.), MIT Technology Review 13
(2) 국내현황 Ÿ 우리나라는슈퍼컴퓨터점유율, 슈퍼컴퓨팅기술력에서선진국대비많이뒤처져있으나, 슈퍼컴퓨터 5 호기도입추진으로돌파구마련 Ÿ 슈퍼컴퓨팅자체기술력확보를위한 R&D 예산은슈퍼컴퓨터도입비용보다상당히낮은수준으로, 국가슈퍼컴퓨팅기술육성을위한방안마련이시급 국내슈퍼컴퓨터현황 2017년 6월 top500.org 18) 에게시된현황을기준으로우리나라의슈퍼컴퓨터점유율은 1.6% 로 8위차지 - 지난 20여년간우리나라의슈퍼컴퓨터점유율 * 은 1~3% 를유지했으며, 전세계에서 7~10위권분포 * 점유율은단순히슈퍼컴퓨터도입과관련된수치로, 이것이국가의슈퍼컴퓨팅기술력과직결된다는것을의미하지않음 한국과학기술정보연구원 (KISTI) 은슈퍼컴퓨터 5호기도입제안요청서를게시하여 2018년상반기운용을목표 - 5호기도입과관련된총예산은 587억원 19) 이고, 목표성능은 25.7PetaFlop/s, 소비전력은 8MW이하 25.7PetaFlop/s의이론성능은 2017년 6월기준으로세계 5위권수준 국가초고성능컴퓨터활용및육성에관한법률 ( 약칭 : 초고성능컴퓨터법 ) (`11.06) 및 시행령 (`11.12) 수립 ( 목적 ) 국가초고성능컴퓨터의효율적인구축과체계적인관리를통하여지속가능한활용을도모하고과학기술의발전기반을조성함으로써국민의삶의질향상과국가경제발전에이바지함 ( 초고성능컴퓨터법제1장 1조 ) 18) top500.org 는매년 6 월과 11 월에세계에서가장빠른슈퍼컴퓨터를 1 위부터 500 위까지공개및인증하는기관으로, 초당연산처리를얼마나많이하는지를실측한기준으로순위산정 19) 예비타당성조사보고서 - Super Korea 2020 : 국가초고성능컴퓨팅인프라선진화사업, (2015.09.), 한국과학기술기획평가원 (KISTEP) 14
제 1 차국가초고성능컴퓨팅육성기본계획 (2013~2017) 발표 (2012.12.06.) - ( 전략과목표 ) 신규수요창출을통한초고성능컴퓨팅활용확대, 세계 Top10 수준의초고성능컴퓨팅서비스기반구축, 초고성능컴퓨팅자체개발 역량확보및산업화토대마련 - < 표 2> 와같이 10 대전략과제제안 < 표 2> 3 대전략 10 대전략과제 3 대전략 10 대전략과제 초고성능컴퓨팅활용확대 초고성능컴퓨팅서비스기반강화 초고성능컴퓨팅기술개발 ž 산업화촉진 과제 1. 국가초고성능컴퓨팅활용국가연구개발활성화과제 2. 초고성능컴퓨팅을활용한산업혁신강화과제 3. 초고성능컴퓨팅기반공공 민간응용서비스확대과제 4. 초고성능컴퓨팅이해확산을위한국민참여활동확대 과제 5. 미래수요대응초고성능컴퓨팅자원확보과제 6. 효율적인국가초고성능컴퓨팅서비스체계구축과제 7. 수요기반초고성능컴퓨팅전문인력육성 과제 8. 초고성능컴퓨팅시스템자체개발역량확보과제 9. 차세대초고성능컴퓨팅원천기술 R&D 확대과제 10. 초고성능컴퓨팅관련산업기반육성 자료 : 제 1 차국가초고성능컴퓨팅육성기본계획 (2013 ~ 2017) 제 1 차기본계획을토대로차세대슈퍼컴퓨터도입과자체개발을위한예비 타당성조사진행 (2015.09. < 표 3> 참조 ) < 표 3> 국가초고성능컴퓨팅예비타당성조사추진현황 (2016 ~ 2020 계획 ) 제안시점 ( 금액 ) 2013.12. (2,034 억 ) 2015.02. (1,606.7 억 ) 세부내용 - 리더십시스템 (1,103 억원 ), 플래그십 51PFlops 자체개발 (931 억원 ) 자체개발의위험도가산재한상태에서리더십시스템과동일한예산편성은부적절. 플래그십시스템의 ARM 기반저전력구성은범용성이확보되기어려운점을고려해재조정안요구 - 리더십시스템 (1,103 억원 ), 플래그십 ARM & x86 (503 억원 ) 플래그십과제에서 ARM 과 x86 을동일한예산을투입해서구축하는것이부적절. 특히쌍대비교 (AHP) 설문조사결과범용성이높은 x86 시스템이적절하기때문에재조정안요구 2015.05. (1,198 억 ) - 리더십시스템 (1,103 억원 ) x86 프로토타입 (94.6 억원 ) 예비타당성검토 - 리더십시스템 (908 억원 ) x86 프로토타입 (82.7 억원 ) 총 990.8 억원규모 자료 : 예비타당성조사보고서 - Super Korea 2020 (2015.09.), KISTEP 에서정리 15
- 슈퍼컴퓨팅자체개발과제예산안이 931억 503억 82.7억원으로감소한주된이유는국내기술력으로차세대슈퍼컴퓨터를개발할수있는가능성에대한위험도가매우크다고판단 - 그러나위험도가문제라면국내상황을면밀히판단하고방향을제시하는복수의사전연구를통해위험도를극복하는방안수립이필수적 - 국제적인동향은엑사스케일시스템구축으로천문학적인투자가진행되는반면, 국내슈퍼컴퓨팅기술국산화는페타스케일시스템에머물러있고투입예산역시소극적임 국가초고성능컴퓨팅육성에대한노력 정부는매년 100 억원씩 10 년간 1,000 억원을슈퍼컴퓨터자체개발사업에 투자를계획 20) 연구재단의 차세대정보 컴퓨팅기술개발사업 에서과제추진 (< 표 4> 참조 ) < 표 4> 국가초고성능컴퓨팅관련연구과제및예산 (2015~2016) 연구사업세부내용예산 PF 급이종초고성능컴퓨터개발사업 차세대정보 컴퓨팅원천기술개발사업 ( 시스템 SW 분야 ) - 초고성능컴퓨팅핵심기술개발로드맵수립 - 국산화대상기술선정및개발계획마련 - 산 학 연등국내외개발역량결집노력 - 초고성능핵심기술개발재원확보노력 - 엑사스케일초고속컴퓨팅시스템을위한시스템소프트웨어원천기술연구 - 초고성능컴퓨팅환경을위한고효율고신뢰운영체제기술개발 - 이종멀티코어기반의클라우드상에서프로그래머생산성및퍼포먼스를위한엑사스케일빅데이터분석플랫폼 - 매니코어및멀티코어구조의프로세서를위한선형대수연산패키지개발 자료 : 연구재단, 차세대정보 컴퓨팅기술개발사업 에서정리 50.96 억원 18 억원 제 2 차국가초고성능컴퓨팅육성기본계획정책수립조사및분석 (2017~) - 지능정보사회에서의컴퓨팅역량강화방안연구를골자로 2 차계획수립 21) 20) 미래부, 슈퍼컴퓨터자체개발착수 총 1,000 억원규모의초고성능컴퓨팅 (HPC) 사업단출범, (2016.04.) 미래창조과학부원천기술과 21) 2017 년도제 2 차기초원천연구기획과제주관연구책임자공모 (2017.02.), 연구재단 16
3. 국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안 슈퍼컴퓨팅의세계동향은엑사스케일컴퓨팅시스템구축인반면국내정책은페타급자체개발에머물러있는실정 국제적인동향이엑사스케일이기때문에우리도엑사스케일컴퓨팅역량확보에동참해야한다는논리는국내의실정을반영하지않음 - 미국, 중국, 일본과같은슈퍼컴퓨팅선진국에비해국내연구진의역량이양적 질적으로열악한상황에서슈퍼컴퓨터개발에대한예산투입의결과물이세계최고를지향해야할필요성은없음 엑사스케일컴퓨팅은선진국에서조차도전적인과제 - 슈퍼컴퓨터는 [ 그림 1] 과같이다양한요소기술이충족돼야하므로단순히 HW 성능으로슈퍼컴퓨팅기술력을판단할수없음 - 따라서 HW 성능이확보된다고해도이를활용하기위한 SW기술, 나아가해결하고자하는과학적난제와의연계가중요 국내전문가수준, 생태계를전반적으로점검하고제한된인적 물적재원안에서자체기술확보방안을구체화할수있는정책마련이시급 - 제2차국가초고성능컴퓨팅육성기본계획에서국내상황을면밀하게파악하기위한소요제기필요 국내슈퍼컴퓨팅역량강화방안은크게 2단계로구분하여슈퍼컴퓨터강국으로도약하는체계제안 (1단계, 현재 ~ 2020) 정부주도의특정슈퍼컴퓨터요소기술의집중연구개발과기술추격을위한슈퍼컴퓨터자체개발착수 슈퍼컴퓨터의요소기술은대략적으로 10여개내외로구성 [ 그림 1] 되며, 응용분야를포함하면수십가지기술로세분화 ( 집중연구 ) 우리의기술수준을바탕으로세계최고수준의기술력을선도할수있는특정요소기술이나핵심기반기술에집중적인재원투자 17
- 현실적으로모든요소기술을국산화하는것은비용측면에서도비효율적이므로, 1단계에서는국제수준을빠르게달성할수있는요소기술위주의투자가바람직 - 장기적인안목에서투자가필요한분야 * 도발굴하여우선순위별로지원 * 중국의경우자체연산처리장치개발을위해 11년간지속적인투자 - 예를들어, 슈퍼컴퓨터수치해석라이브러리개발이라는핵심기반기술에대해모든역량을투입한다고가정한다면다음과같은연구과제도출가능 미국의 ECP에서밝힌에너지부 22대응용과제의수치해석알고리즘활용도에따르면 21개의과제에서희소행렬해법 (Sparse Linear Solver)* 이활용 22) 희소행렬해법의병목은메모리전송에서발생하기때문에, 메모리전송을최적화하는원천기술연구와다양한형태의희소행렬에대한해법을이론적으로연구하는과제를도출할수있음 * 희소행렬은행렬의원소에서 0이많은형태를지칭하며, 주로 ( 편 ) 미분방정식의수치적인해법을적용할때희소행렬이생성. 이러한희소행렬은대부분행렬식의형태로표현되며, 이것의해를구하는방법이희소행렬해법 ( 자체개발 ) 국내의모든 HPC 전문가가하나의거대컨소시움 ( 가칭 ) 국가슈퍼컴퓨팅연구단 을구성하여국가의전략프로젝트로서슈퍼컴퓨터국산화 R&D 수행 - 성공적인기술추격을위해서는산 학 연의모든 HPC 전문가 * 가슈퍼컴퓨터국산화연구에투입될수있는환경마련 * 국내 HPC 전문가는양적 질적으로부족한상황 경쟁을통한과제선정보다하나의추진체계로유기적으로협업하는방식제안 (Co-design) - 연구단에 HPC 기업참여를장려하여원활한기술이전환경을마련 - 연구단의목표는슈퍼컴퓨터국산화추진으로자체개발에대한위험성을낮추기위해국제적인동향을면밀히파악하여가장활용도가높은시스템에서의 R&D 추진중점 예를들면, 현재슈퍼컴퓨터에서가장널리활용되는 x86 시스템과가속기형태의시스템에서최적화추진. 새로주목받는시스템 (ARM, FPGA 등 ) 은선택적으로접근하는전략을취해향후활용가능성정도를파악 22) The U.S. D.O.E. Exascale Computing Project Goals and Challenges (2017.02.), ECP 18
(2단계, 2020 ~ 2025) 슈퍼컴퓨팅기술의국산화달성과최종산출물로슈퍼컴퓨터전문기업육성 1단계연구결과를바탕으로슈퍼컴퓨터를자체생산할수있는역량확보 - 슈퍼컴퓨터요소기술별국산화를통해자체생산추진 - 슈퍼컴퓨터전문기업의전략적육성으로국내 HPC 수요충족과개발도상국으로수출달성 ( 범용기술확보 ) 다양한도전적인과학적문제를해결하기위해범용성이높은선도형슈퍼컴퓨팅 R&D 추진 - 이기종연산처리장치를효율적으로활용할수있는프로그래밍모델및컴파일러개발 - 오류를자동으로탐지하고복구할수있는시스템SW 등 ( 전문기업 ) 연구단의성과를산업계로이전하여전문기업육성 - 전문기업은 국가슈퍼컴퓨팅연구단 발족시부터참여하는기존 HPC 기업이거나연구단이직접창업하는형태로추진 - 일본의전문기업육성사례 * 와같이국내기술력으로개발한슈퍼컴퓨터적극활용 * 지구모사시스템 (NEC), K 컴퓨터와포스트 K 컴퓨터 (Fujitsu) 국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안의단계별전략 (< 표 5> 참조 ) 구분 1 단계 ( 현재 ~ 2020) 2 단계 (2020 ~ 2025) 기술수준핵심기술확보완전국산화 범위특정요소기술범용기술 주체컨소시엄 ( 연구단 ) 전문기업 19
4. 결론 슈퍼컴퓨팅기술은도전적인기초과학의난제를해결하기위해필수적이기때문에, 선진국은공격적인투자를바탕으로기술의선제적확보를위해노력 저전력엑사스케일컴퓨팅시스템구축은슈퍼컴퓨팅선진국조차도전적인과제로, 기술선점도중요하나응용분야와의연계성역시매우중요 미국은전통적인슈퍼컴퓨팅의강국으로체계적인준비하에엑사스케일프로젝트를진행중 중국은막대한자금력과우수한자국기술력을바탕으로미국과직접적으로경쟁할수있는역량을키웠으나, 슈퍼컴퓨터활용측면을강화할필요성존재 일본은재난재해대비를위해필연적으로슈퍼컴퓨팅기술이필요한상황으로엑사스케일컴퓨팅경쟁대열에합류 우리나라는선진국대비전문가의수준, 정부의예산투입수준이상대적으로미비하므로체계적인분석하에기술추격이나특정분야의선도전략이필요 국가슈퍼컴퓨팅역량강화방안으로다음두단계를제안 (1단계) 정부주도의슈퍼컴퓨터특정요소기술의집중연구개발과기술추격을위한슈퍼컴퓨터자체개발착수 - 우리의기술수준을바탕으로세계최고수준의기술력을선도할수있는특정요소기술이나핵심기반기술에집중적인재원투자 - 국내의모든 HPC 전문가가하나의거대컨소시움 ( 가칭 ) 국가슈퍼컴퓨팅연구단 을구성하여국가의전략프로젝트로서의슈퍼컴퓨터국산화 R&D 수행 (2단계) 슈퍼컴퓨팅기술의완전국산화달성과최종산출물로슈퍼컴퓨터전문기업육성 20
[ 참고문헌 ] 1. 국내문헌 2017년도제2차기초원천연구기획과제주관연구책임자공모 (2017.02.01.), 연구재단이형진, 최윤근, 미래초고성능컴퓨팅생태계구축을위한국가슈퍼컴퓨팅인프라개발과구축 (2016.02.), 한국과학기술정보연구원 (KISTI) 미래부, 슈퍼컴퓨터자체개발착수 총 1,000 억원규모의초고성능컴퓨팅 (HPC) 사업단출범, (2016.04.05.) 미래창조과학부원천기술과추형석, 안성원, 인공지능의핵심인프라 고성능컴퓨팅환경의중요성 (2017.01), 소프트웨어정책연구소, 이슈리포트 2016-013 예비타당성조사보고서 Super Korea 2020 : 국가초고성능컴퓨팅인프라선진화사업, (2015.09.), 한국과학기술기획평가원 (KISTEP) 2. 국외문헌 AI Bridging Cloud Infrastructure, (2016.11.) AIST Exascale Computing Project Update (2016.04.), ECP ExaScale Computing Study: Technology Challenges in Achieving Exasclae Systems (2008.09.), DARPA HPC 計画について, (2017.03.) 文部科学省研究振興局参事官 ( 情報担当 ) 付計算科学技術推進室 The U.S. Exascale Computing Project (2017.03.) Exasclae Computing Project The U.S. D.O.E. Exascale Computing Project Goals and Challenges (2017.02.), ECP 3. 기타 ( 신문기사등 ) Supercomputing Resurrected (2013.02.), MIT Technology Review Putting the Rise of Chinese Supercomputing in Perspective (2017.01.) top500.org 21
주의 1. 이보고서는소프트웨어정책연구소가수행한연구보고서입니다. 2. 이보고서내용의전부또는일부를사용할때는반드시소프트웨어정책연구소의 연구결과임을밝혀야합니다. [ 소프트웨어정책연구소 ] 에의해작성된 [SPRI 보고서 ] 는공공저작물자유이용허락표시기준제 4 유형 ( 출처표시 - 상업적이용금지 - 변경금지 ) 에따라이용할수있습니다. ( 출처를밝히면자유로운이용이가능하지만, 영리목적으로이용할수없고, 변경없이그대로이용해야합니다.)