세계 2위 슈퍼컴퓨터 '프론티어', 역대 최대 규모 우주 시뮬레이션 성공

관측 가능한 우주 전체를 컴퓨터 안에서 그대로 구현하는 작업은 상상을 초월하는 연산량을 요구합니다.

지금까지의 우주 시뮬레이션은 하드웨어 성능의 한계 때문에 대부분 중력 효과만을 계산하는 등 물리적 요소를 대폭 축소해야 했습니다. 하지만 실제 우주에는 암흑물질뿐 아니라 고온 가스와 플라스마의 격렬한 유체 운동, 우주 팽창이 동시에 일어납니다.

세계 2위 슈퍼컴퓨터인 프론티어(Frontier)가 이러한 복합 물리 현상을 모두 반영해 인류 역사상 가장 거대하고 복잡한 우주 시뮬레이션을 완료했습니다.

9000개 노드 동원, 기존 대비 약 300배 빠른 속도

미국 오크리지 국립연구소(ORNL)에 설치된 프론티어는 연산 성능이 1.4엑사플롭스(ExaFLOPS)에 달하는 엑사스케일 슈퍼컴퓨터입니다.

2024년 11월에 수행된 이번 시뮬레이션에는 AMD 인스팅트(Instinct) MI250X 가속기가 탑재된 약 9000개의 컴퓨팅 노드가 투입되었습니다.

연구진은 미국 에너지부(DOE)가 18억 달러를 지원한 엑사스케일 컴퓨팅 프로젝트의 일환인 우주론 시뮬레이션 플랫폼 HACC을 사용했습니다. 연구팀은 프론티어와 같은 엑사스케일 머신에서 효율적으로 작동하도록 7년에 걸쳐 소프트웨어를 최적화했습니다.

프로젝트 목표는 기존 벤치마크보다 최대 50배 빠른 속도를 내는 것이었으나, 실제 유체역학 시뮬레이션 수행 결과 과거 타이탄 시뮬레이션과 비교해 무려 300배에 가까운 속도를 기록했습니다.

단순 중력 계산을 넘어 유체역학과 암흑물질까지 통합

이번 성과의 핵심은 연산 집약도가 극도로 높은 유체역학 우주론 모델을 거대한 스케일로 구현했다는 점입니다.

기존 모델이 은하들을 단순 질량점으로 취급해 중력만을 다뤘다면, 이번에는 우주 팽창 과정과 암흑물질의 작용, 가스와 플라스마의 세밀한 거동을 하나의 시뮬레이션 안에서 풀어냈습니다.

프론티어는 우주 시뮬레이션 외에도 다양한 과학 난제를 해결하는 데 쓰이고 있습니다. 2023년 4월에는 전 지구의 1년 치 기후 데이터를 3km급 고해상도로 재현한 기후 모델 SCREAM을 구동했으며, 신소재 개발과 핵의학 연구에서도 핵심 도구로 활약하고 있습니다.

왜 중요한가

천체물리학계 입장에서 이번 시뮬레이션은 거대한 가상 실험실을 확보한 것과 같습니다.

차세대 우주망원경이 포착한 관측 데이터가 기존 우주 진화 이론이나 암흑물질 가설과 일치하는지, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 직접 비교 검증하는 작업이 훨씬 정밀해졌기 때문입니다.

컴퓨팅 하드웨어 산업 측면에서는 AMD의 강력한 존재감을 입증한 사례입니다.

엔비디아가 상용 AI 인프라 시장을 장악한 상황에서, 프론티어의 9000개 AMD MI250X 클러스터가 극한의 대규모 과학 연산을 안정적으로 완주했다는 점은 큰 의미가 있습니다.

우리는 이러한 엑사스케일 컴퓨팅 인프라가 앞으로 과학 특화 AI(AI for Science)와 거대언어모델(LLM)의 고도화에 필수적인 기반이 될 것으로 봅니다. 다만 엄청난 전력과 자본이 투입되는 엑사스케일 연산 자원에 접근할 수 있는 연구 기관이 소수로 제한된다는 점은 여전히 극복해야 할 과제입니다.