국제 슈퍼컴퓨팅 컨퍼런스는 매년 6월과 11월 두 차례 개최된다. 지난 6월 17일에 개최된 컨퍼런스 개회식 이벤트에서 전 세계가 보유한 고성능 슈퍼컴퓨터 500 명단이 발표돼 세계를 놀라게 했다. 독일 라이프치히 컨퍼런스에선 중국 국방대학교가 개발하여 시운전 중인 티엔허-2호(일명 밀키웨이-2)가 린팩(Linpack) 벤치마크 측정 결과 33.86 페타플롭스(petaflops)로 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 공인됐기 때문이다.

티엔허-2호 Made in China, ‘최고’ 슈퍼컴퓨터 인증

원래 티엔허-2호기는 2015년까지 100 페타플롭스 급으로 개발 중이라는 소문이 있었으나 예상보다 2년이나 앞당겨 금년 말에 광조우의 슈퍼컴퓨터 센터에 배치할 계획을 발표했던 것이다. 이로써 중국은 다시 세계 최고의 슈퍼컴퓨터 보유국으로 부상했다. 이 속도는 미국 오클리지 국립연구소가 보유한 타이탄 슈퍼컴퓨터의 지난해 기록인 17.59 페타플롭스보다 1.9배나 빠른 속도다.

티엔허-2호기에 들어간 프로세서는 인텔의 제논 아이비브리지 프로세서와 제논 파이 프로세서로 이루어져 있으며 총 312만개의 CPU로 구성되어 있다. 그런데 내년이라도 티엔허-2호기에 그래픽 프로세서를 업그레이드해 주면 성능이 100 페타플롭스가 되거나 2015년까지 티엔허-3호기가 100 페타플롭스 급 이상으로 등장할 가능성도 있다고 한다.

세계가 이번 기록에 더욱 놀란 것은 티엔허-2호기의 CPU를 제외한 나머지 기술들은 모두 중국이 자체기술들로 개발해 냈다는 점이다. 지난 2010년에 2.56 페타플롭스로 주목을 받았던 톈진 국립슈퍼컴퓨터센터의 티엔허-1호기는 비록 세계기록을 세우긴 하였지만 미국기업들의 기술이었기 때문이다.

중국은 약 3년 만에 슈퍼컴퓨터를 거의 국산화해 버렸고 2018년까지 1 엑사플롭스(exaflops) 급의 슈퍼컴퓨터를 완전히 국산화하겠다는 포부를 발표했었다. 반면에 미국은 엑사플롭스 급 슈퍼컴퓨터를 2020년까지 개발하겠다고 해왔지만 실제론 기술개발을 위한 정부의 재정적 지원이 원활하지 못해서 일정을 장담하지 못하는 분위기이다.

미국, “린팩 벤치마크 측정법이 잘못된 것 아냐?” 의문 제기

급기야 미국의 학자들은 고성능 컴퓨터의 성능 비교 방법으로 린팩 벤치마크 측정법이 부적합하다는 의견까지 내놓게 되었다. 린팩 벤치마크 측정법은 지난 1993년 이래로 슈퍼컴퓨터들의 성능을 비교 측정하는 기준으로 인정받아 왔지만 단순히 선형방정식을 푸는 속도와 효율만을  기준으로 측정한다.

그런데 시간이 가면서 슈퍼컴퓨터는 복잡한 계산들 중심으로 되었다. 계산방식이 광대역이고, 대기시간도 짧으며, 불규칙한 패턴의 데이터를 취급해야 한다. 그런데 린팩 벤치마크 법은 이런 복잡한 계산 성능을 측정하지 못하므로 린팩 성능 순위와 실제 응용 성능과는 차이가 있다고 보는 것이다. 그래서 앞으로는 분산형 메모리와 네트워크 구조 변화 그리고 멀티코아 CPU(수식 처리)나 GPU(그래픽 처리)의 장점들을 반영하고 있는 HPCG 벤치마크 법으로 성능순위를 매길 예정이라고 한다.

오크리지 국립연구소에 있는 슈퍼컴퓨터 ‘타이탄’은 벤치마크 측정 시엔 모든 부동소수점계산과 데이터를 GPU에서 처리하지만, 실제로는 주로 CPU에서 처리를 해주고 간혹 가다가 선택적으로 내려 받기 속도를 높이기 위해 GPU를 사용한다고 한다. 벤치마크 계산 환경과 실제 응용환경이 일치하지 않는 것이다.

이런 결과는 벤치마크 측정결과에 대해 신뢰를 잃게 한다. 그래서 새로운 측정법이 확산되면 컴퓨터의 디자인이나 적용기술방향을 새롭게 제시한다는 측면에서 매우 의의가 크다. 지금 계획으로는 금년 11월에 미국 덴버에서 개최될 국제 슈퍼컴퓨팅 컨퍼런스에선 두가지 측정법들에 의한 결과들을 모두 공표할 계획이다.

 ‘엑사플롭스’ 차세대 컴퓨터가 경쟁 승리의 ‘Key’될 것

한편 미국과 중국의 차세대 슈퍼컴퓨터 각축전에 일본도 적극적이다. 일본은 2011년 후지쯔와 리켄연구소가 공동으로 케이(K) 컴퓨터를 개발했었다. 최초의 10 페타플롭스 급으로 주목을 받았으나 이듬해 미국이 개발한 세쿼이아(16.32 페타플롭스)와 타이탄 (17.59 페타플롭스)에 밀려 3위가 됐다. 그래서 2020년까지 케이(K)컴퓨터의 100배 성능을 갖는 1 엑사플롭스 급 차세대 컴퓨터를 기획 중이다. 케이컴퓨터 개발비인 1,100억 엔보다 개발비가 적게들 것으로 보고  2015년 예산부터 반영할 계획이다.

엑사플롭스 장벽을 깨는 것은 많은 슈퍼컴퓨팅 연구자들의 오래된 개발 목표다. 그것은 엑사플롭스가 인간 두뇌의 처리 속도와 같은 수준이기 때문이다. 이론적으로는 이제 엑사(exa)급 시스템은 오늘날 가장 빠른 시스템보다 약 30배 빠른 계산 능력이다. 슈퍼컴퓨터들은 수 백 만개의 프로세서들을 장착하고 있지만 엑사급 슈퍼컴퓨터는 약 1 억여 개의 프로세서가 필요하다고 본다. 그러나 프로세서 수만 증가한다고 성능이 높아지는 것이 아니다. ‘무어의 법칙’이 지속되도록 프로세서의 기술혁신이 이어져 가야만 한다.

그렇다면 무어의 법칙은 계속 유지될 수 있는가. 인텔의 스테판 파웰스키는  ‘2020년, 무어의 법칙’이란 주제 강연에서 항상 사람들은 무어의 법칙이 한계에 닥쳤다고 말해왔다면서 그러나 트랜지스터 크기는 여전히 매 2년마다 두 배씩 줄어들고 있고 성능은 향상되고 소비전력은 줄어들고 트랜지스터 단가도 낮아지고 있다고 했다. 무어의 법칙은 아직도 살아있고 잘 진행되고 있다.

다만 그 성공방정식은 매번 변하고 있다.”고 주장했다. 앞으로 더 나가려면 트랜지스터 선폭 및 치수감소에 따른 구조혁신이 필요하며 유망한 미래기술들로 3D 칩 적층, 그래핀, 나노 와이어, 광전자 등을 소개했다. 또 파웰스키는 린팩 벤치마크에서 좋은 성적을 얻는 것보다 과학적인 응용들에 적합한 기계들을 만들어 내는 일에 초점을 맞춰나가야 한다고 설명했다.

엔비디아(NVIDIA)의 빌 달리는 같은 컨퍼런스 기조강연에서 사람들이 원하는 수준에 비하면 엑사플롭스 속도도 충분치 않다고 말했다. “고성능 슈퍼컴퓨터에 대한 욕구는 끊임이 없다. 실제로 많은 연구소에서 벌어지는 현상을 보면 성능부족이 과학기술의 중요한 제약이다. 성능이 높아질수록 해낼 수 있는 일들이 더욱 더 많아진다.”

칩 디자인·전력 감축·프로그래밍 등 3가지 과제 해결해야

그런데 기술적인 걸림돌은 많다. 달리의 분석에 의하면 칩 디자인, 전력 소비량 감축, 프로그래밍 등 세 가지 커다란 과제가 있다. 최근 CPU와 GPU 가속기를 하이브리드 형으로 해서 전력소비문제를 일부 해결했으나 엑사급 장벽을 넘기 위해선 보다 획기적인 시스템 구조 변화가 필요하다는 지적이다.

발열이 적고 전력소비를 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 차원의 아이디어들이 많이 필요하다는 지적이다. 또 대형컴퓨터를 더욱 쉽고 빠르게 프로그래밍 할 수 있도록 알고리즘도 완전히 개선되어야 한다고 주장한다. 아직까지는 엑사급 시스템을 장담하기엔 제조공정발전이 충분하지 못하다고 그는 지적하고 있다.

그럼에도 불구하고 2019년경엔 엑사급 슈퍼컴퓨터가 등장할 것이라는 주장에는 모두들 고개를 끄덕이고 있다. 이렇게 각 국이 슈퍼컴퓨터 개발 경쟁에 주력하는 이유는 모든 과학기술 개발능력이 이젠 슈퍼 컴퓨팅 능력에 의해 결정되기 때문이다. 지금 전 세계는 누가 맨 먼저 엑사플롭스 급 컴퓨터를 개발하게 될 것이며 얼마나 그 최고 지위를 유지하게 될 것인가에 쏠려 있다. 우주개발은 꿈을 쫒는 일인 반면에 슈퍼컴퓨터 개발은 현실을 구현하는 일이다