단시간에 대량계산 척척 해내는 고등과학원 클러스터 슈퍼컴퓨터

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2006-05-30 09:59

서울--(뉴스와이어)--고등과학원(원장: 김만원)의 계산과학부는 순수 기초과학 이론과 컴퓨터를 결합해서 방대한 실험결과를 수치화하고 있다. 계산과학부의 여러 연구분야 중 단백질 접힘에 관한 연구에서 슈퍼컴퓨터의 사용은 필수적이다. 단백질 접힘 문제를 물리학에 기반해서 연구하기 위해서는 천문학적인 컴퓨팅 자원이 필요하다. 그러나 이런 연구를 위해 필수적인 슈퍼컴퓨터를 도입하기 위해서는 많은 비용이 든다.

고등과학원에서는 저렴한 비용으로 이 문제를 해결하기 위해 처음에는 일반 PC를 이용한 클러스터를 제작해서 활용하는 것을 시작으로 2001년에는 473개의 AMD 애슬론 MP 프로세서를 클러스터로 연결한 슈퍼컴퓨터 진(Gene)을 자체 제작해 운영했다. 또한 계속하여 업그레이드를 하여, AMD Opteron 프로세서를 이용한 128 CPU의 helix 시스템, 고성능 네트웍 성능을 가진 quest 시스템을 제작하였고, 현재는 AMD의 Dual Core 프로세서를 이용한 cell 시스템까지 800여 프로세서를 보유한 클러스터 슈퍼컴퓨터를 운영하고 있다.

처음부터 AMD 프로세서를 사용한 것은 인텔의 프로세서에 비해 가격대비 성능이 우수했기 때문이다. 이러한 계산 리소스를 기반으로 고등과학원에서는 계산과학, 물리학, 천문학에 이르기까지 기존의 방법으로 하기 어려웠던 많은 연구를 수행할 수 있게 되었다. 고등과학원은 슈퍼컴퓨터를 가지고 단백질 구조를 예측하여, 격년으로 열리는 ‘단백질 구조예측 학술대회’에서 2004년 총 181개팀 중 8위에 오르는 등 우수한 성적을 거두고 있다. 고등과학원은 단백질 구조예측 중 가장 난이도가 높은 ‘새로운 접힘 예측분야’에서 세계 최고 수준의 실력을 보유하고 있다.

한편 고등과학원의 천체물리에서는 우주진화과정의 이론적 가설들과 수치모의실험 결과를 비교하여 우리우주의 진상을 밝혀내는 연구를 하고 있다. 이를 위해서 병렬클러스터를 이용하여 우주 거대구조 시뮬레이션을 수행하고 있고, 이를 분석하여 슬론 디지털 스카이 서베이 (Sloan Digital Sky Survey)에서 관측된 은하들의 이차 상관함수와 특이속도장, 주변 환경에 따른 은하 형태별의 분포 등을 비교 분석하여 연구를 하고 있다.

- 병렬 클러스터를 이용한 고등과학원 단백질 접힘 연구

단백질 접힘 현상 연구 분야에는 실험을 통하지 않고 계산을 이용해서 단백질 구조를 정확히 예측하는 것이 중요한 분야이다. KIAS에서는 병렬 클러스터를 이용해 단백질 접힘 현상 연구를 수행하고 있다. 단백질 접힘 현상 연구의 중요성이 가중 되면서 1994년에 시작되어 2년마다 CASP(단백질 구조예측 학술대회; Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction)가 개최되고 있다. 실험으로 구조가 밝혀지지 않은 단백질의 서열정보를 인터넷에 발표하면 전 세계의 연구그룹이 마감일 전에 그들의 단백질구조 예측을 인터넷으로 이 학회에 제출하게 된다. 이 예측을 하는데 고등과학원의 병렬 클러스터의 사용은 필수적이다. 이 구조예측은 5월에서 9월초에 이루어지며, 제출된 계산구조와 이후 밝혀지는 실험구조를 비교하여 그 결과를 검토 평가하는 학회를 12월 초에 갖게 된다. 실제로 고등과학원 Protein folding 그룹은 CASP에서 우수한 성적을 거둬왔다. 단백질 구조예측은 3가지 분야 (상동성 모형화, 접힘 인식, 새로운 접힘 예측)로 진행되었는데 고등과학원은 이 중에서 가장 난이도가 높은 새로운 접힘(New fold) 예측분야에서 총 181개 참가팀 중 12팀을 선발한 Elite Club Member로 선정되었고, 실질적인 순위는 세계 8위를 기록했다.

- 물리학부 천체물리 관련 병렬 클러스터 이용

지난 수년간 우주론 분야에서는 지상의 대형망원경과 첨단 우주망원경의 대규모 우주탐사에 힘입어 많은 과학적 쾌거가 이루어져 왔다. 현재 우주론 분야 연구의 초점은 우주 초기에 물질의 요동이 발생하여 오늘날 별과 은하와 같은 다양한 천체가 태어나게 된 원리를 규명하는 데에 있다. 천체의 기원과 진화를 정확히 이해하기 위해서는 우주의 생성에서부터 현재에 이르기까지의 ‘우주진화과정’을 수치적으로 모의실험 하여 이론적 가설들과 비교하여야 한다.
우주진화과정은 관측이 불가능하기 때문에 그동안 정립되어 온 이론적 가설들과 수치모의실험 결과를 비교하여 우주진화과정의 진상을 밝혀내게 되는 것이다. 이러한 과정에서 슈퍼컴퓨터의 역할은 매우 중요한데, 그동안 고등과학원의 병렬클러스터를 이용해서 현재 우주론의 여러 관심대상 중의 하나인 우주의 비가우시안 성질을 토폴로지 연구를 통해서 알아보았다. 이러한 시뮬레이션을 통한 토폴로지의 성질들을 슬론 디지털 스카이 서베이 (Sloan Digital Sky Survey: SDSS) 관측을 통해서 얻어낸 은하들의 토폴로지 값과 비교하여 현재 널리 알려진 우주모형의 타당성을 검증하였다. 현재 20483 개 입자를 이용해서 표준 우주모형에서의 은하의 생성과 진화를 살펴보고 있다. 여기에는 총 96개의 CPU 와 384 기가바이트의 메모리가 이용되고 있는데, 대략 2달 동안의 시뮬레이션을 통해서 SDSS 은하들의 이차 상관함수와 특이 속도장, 주변 환경에 따른 은하 형태별의 분포 등을 연구할 예정이다.

- 병렬 클러스터를 이용한 나노전자소자 연구

고등과학원의 슈퍼컴퓨터는 나노 스케일의 소재와 소자의 특성을 분석하고 예측하는 용도로 사용되고 있다. 빠르게 진행되고 있는 반도체 소자 기술의 급속한 발전은 실리콘 소자 크기의 축소화를 의미하는데 이 때 발생하는 문제점들을 해결하고 또한 새로운 개념의 소자들의 가능성을 타진하는 것이 현재 나노 과학 연구의 중요한 하나의 목표이다. 미래 소자의 하나로서 각광받고 있는 분자 소자의 특성이 현재 고등과학원에서 연구되고 있다. 분자 크기의 나노 소자는 기존의 고전 역학의 법칙에 따라 움직이지 않고 미시 세계를 지배하는 양자 법칙을 적용해야만 이해할 수 있는데, 이러한 양자 역학적 소재와 소자의 특성을 정량적으로 이해하기 위해서는 매우 큰 규모의 컴퓨터 계산이 필요하게 된다. 고등과학원 병렬 클러스터는 이러한 나노 소자의 연구에 유용하게 이용되고 있다.

- 물리학부 통계물리 관련 병렬 클러스터 이용

수많은 입자들이 모여서 스스로를 드러내는 협동현상과 거시적 성질은 입자 자체의 성질로는 이해될 수 없다. 특히 얼음이 녹아서 물이 되는 과정처럼 상전이가 일어나는 과정은 해석적인 이해나 근사적인 추정이 매우 어렵다. 이를 이해하기 위해서는 몬테칼로 알고리듬처럼 수많은 표본에 대한 시늉내기를 통해 통계적 처리를 함으로써 정량적인 이해가 가능하다. 이를 통해 도처에서 발견되는 거시적 성질의 보편성에 대한 미시적 이론의 정립을 도울 수 있다. 이러한 계산과정에서 수많은 표본들을 클러스터의 여러 노드들에게 나누어 줌으로써 계산 속도를 획기적으로 늘릴 수 있다. 또한 입자들을 적당히 노드들에게 배분하고, 연결망을 통해 정보를 주고받음으로써, 엄청난 수의 입자들을 동시에 다룰 수도 있다. 현재 고등과학원의 병렬 클러스터의 CPU 속도와 노드 수, 그리고 연결망의 속도 등은 세계적인 수준이며, 이를 통해 최근에 통계물리 분야에서 중요하게 부각되고 있는 교통문제, 네트워크 문제, 비평형 상전이 문제, 동기화 및 공명문제 등을 연구하고 있다.

고등과학원 개요
고등과학원은 한국의 기초과학(수학, 물리학, 화학, 생물)을 세계적인 수준으로 끌어올리기 위해 1996년 10월에 설립된 과학기술부 산하 출연연구기관으로 우리나라 최초의 순수기초과학 연구기관이다. 현재 고등과학원에서는 수학부, 물리학부, 계산과학부의 세 학부로 운영되고 있으며, 각 학부에는 세계적인 석학교수를 포함한 교수진과 젊고 유능한 연구원들이 각각의 분야에서 창의적 과제 중심의 연구를 하고 있다. 또한, 활발한 국제 학술행사 및 세미나, 그리고, 방문연구 프로그램을 통해 해외의 최신 연구를 국내학자들에게 소개하고 상호 교류함으로써 국내 기초과학의 선도적 역할 및 세계적 수준의 연구를 하고 있다.

웹사이트: http://www.kias.re.kr