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Nikkei X-TECH_2020.10.23

지구시뮬레이터, 제 4세대로 이전
태풍의 씨앗 발견 및 월간 기상 예보도 시야에

자연재해 및 기상 현상의 예측 모델 연구에 이용되고 있는 해양연구개발기구(JAMSTEC)의 슈퍼컴퓨터 ‘지구 시뮬레이터(Earth Simulator)’의 차세대 컴퓨터가 2021년 3월에 가동된다. 시스템 설계는 NEC가 담당했다. 현 시스템의 4~8배 속도로 프로그램 처리가 가능하게 된다. 시행(試行) 회수 증가와 범위의 세분화가 가능해져 자연 현상에 대한 예측 연구가 크게 가속화될 전망이다.

4세대인 차기 지구 시뮬레이터는 현 시스템에 비해 크게 2가지 점이 달라졌다. 하나는 성능 향상. 총 이론 연산 성능은 19.5페타플롭스(PF)로 3세대의 14.9배로 향상. 주요 스토리지 용량은 12.8배 향상된 61.4페타바이트(PB).

연산 성능의 향상으로 예측 범위를 세밀화해 해상도를 높일 수 있다. 더 나아가 “계산 속도는 4~8배 향상될 것으로 보인다”(JAMSTEC 지구환경부문 환경변동예측연구센터의 가와미야(河宮) 센터장). 계산 속도가 향상될 경우, 동일한 조건에서 확률적으로 발생되는 다양한 결과를 쉽게 예측할 수 있게 된다. 또한 스토리지 용량이 늘어남으로써 취급하는 데이터의 대용량화가 가능해진다.

또 하나의 변화는 시스템 구성이다. 현 시스템은 NEC의 벡터형 슈퍼컴퓨터 ‘SX-ACE’를 중심으로 한 단일구성 벡터 컴퓨터였다. 반면 차기 지구 시뮬레이터는 684대의 NEC의 벡터형 슈퍼컴퓨터 ‘SX-Aurora TSUBASA B401-8’과 함께 스칼라 컴퓨터로서의 성능 증강을 위해 미국 AMD의 서버용 x86 마이크로프로세서 ‘EPYC’를 도입. 또한 미국 NVIDIA의 GPU ’A100’이 도입된 멀티 구성으로 구현했다.

NEC가 35년 이상 개발해온 벡터형 컴퓨터는 단일 코어 당 연산 성능이 높은 것이 특징으로, 지구 환경 및 자연 현상 등 다수의 데이터를 동시에 처리하는 대규모 계산에 적합하다. 한편, 심층학습 등의 용도에서는 GPU를 이용한 계산이 높은 성능을 얻을 수 있는 경우가 있다고 한다. “연구자의 수요는 다양하기 때문에 앞으로 GPU가 필요하게 될 것으로 생각했다”(JAMSTEC 부가가치정보창생부문 지구정보기반센터 컴퓨터시스템기술운용그룹의 우에하라(上原) 그룹리더).

-- ‘주간’ 일기예보의 정밀도로 ‘월간’ 일기예보를 --
지구 시뮬레이션은 주로 지구 규모의 자연 현상 시뮬레이션 등에 대한 연구에 이용되어왔다. 예를 들어 지구 온난화가 발생했을 때 ‘전세계적으로 온도가 어느 정도 올라간 경우에 어떤 현상이 발생하는가’ 등을 온도 상승 정도 및 범위 등 다양한 조건을 바꿔 다수의 결과를 시뮬레이션 한다. 이렇게 수집된 대규모 데이터를 한번에 처리하는 계산에는 벡터 컴퓨터가 적합하다. 하지만 최근 단순한 시뮬레이션 외 다른 종류의 데이터 처리 수요가 높아지고 있다. 그 대표적인 예가 심층학습을 통한 패턴 인식이다.

구체적으로는 시뮬레이션 결과의 영상을 심층학습을 통해 분석함으로써 태풍의 씨앗이 되는 아주 작은 구름 소용돌이와 지진파 예조 등 사람이 찾기 어려운 수준의 경향이나 법칙을 발견하는데 도움이 된다. 보다 신속하게 재해 발생을 예측할 수 있게 된다면 재난 방지 및 경감 대책에 시간적 여유를 가질 수 있다.

또한 예측 모델의 최적화 처리에 심층학습을 이용하는 용도도 있다. 예를 들어 시뮬레이션 결과와 실제 현상과의 차이와 오차를 통해 예측 모델 수정을 반복해 정밀도를 높일 수 있다. 시뮬레이션을 통해 얻은 대상 영역의 메쉬가 성긴(sparse) 데이터로부터 세밀한 데이터 연산이 가능하게 된다면 호우 규모와 지역의 변화, 홍수 피해 지역 등 보다 상세한 범위의 예측 결과를 도출할 수 있게 된다.

이와 같은 데이터 처리 수요가 높아지는 가운데 지금까지는 다른 슈퍼컴퓨터를 통해 심층학습을 별도로 처리해왔다. 차기 지구 시뮬레이터는 벡터 컴퓨터에 GPU 등이 도입되어 있어 심층학습 등의 데이터 처리를 동일한 시스템 상에서 일관적∙효율적으로 실행할 수 있다.

물론 시뮬레이션의 중요함은 달라지지 않는다. 예를 들어 통계적으로 발생 확률이 낮은 현상의 시뮬레이션이다. 100년에 1번 발생할까 말까 한 자연 재해는 조건을 바꿔가며 시행착오를 반복해 겨우 발견하는 경우가 많다. 이러한 용도에서는 계산 성능의 순수한 향상이 첫 번째로 요구된다.

1회의 시뮬레이션에 8시간이 소요되는 것이 1시간 만에 가능하게 된다면 시행 회수는 8회나 늘어나게 된다. “회수가 늘어난 양만큼 시뮬레이션 결과의 신뢰도는 늘어난다”(가와미야 센터장).

보 등에 이용되는 기상예측모델 연구에도 지구 시뮬레이터는 이용될 수 있다. 일반적으로 기상예측 모델의 연구 성과는 수 년 후에 실용 일기예보에 반영되는 경우가 많다. 차세대 지구 시뮬레이터를 통한 연구성과를 활용한다면 “미래에는 현재의 주간 일기예보를 동일한 정밀도로 2~3주 예보로 늘릴 수 있게 될 수도 있다”(가와미야 센터장).

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