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후가쿠
후가쿠(Fugaku)는 일본이 소사이어티(Society) 5.0을 달성하기 위해 사회 및 과학적 문제를 해결하고자 여러 애플리케이션을 지원하도록 설계한 플래그십 시스템으로 리켄연구소에 있다.
목차
개요
후가쿠는 일본 이화학연구소와 후지쯔 리미티드(Fujitsu Limited)가 공동 개발한 시스템으로, 2019년 11월 그린500(Green500) 리스트에서 세계에서 가장 효율적인 슈퍼컴퓨터로 선정된 바 있다. 더불어 2020년 6월 기준 세계 500대 슈퍼컴퓨터 순위를 발표하는 슈퍼컴퓨팅 컨퍼런스(ISC High Performance)에서는 실제로 사용되는 애플리케이션의 벤치마크를 평가하는 HPCG(High-Performance Conjugate Gradient)와 인공지능(AI) 애플리케이션의 작업 처리 성능을 측정하는 HPL-AI(High-Performance Linpack-Artificial Intelligence)의 두 부문에서 최고로 선정되는 영예를 안았다.[1] 2014년 교육 문화 체육 과학 기술부가 추진한 슈퍼 컴퓨터 후가쿠 개발 계획은 1차세대 일본 대표 슈퍼 컴퓨터와 고품격 사회 및 과학 문제를 다룰 다양한 애플리케이션을 개발하는 것을 목표로 한다. 전산학을 위한 리켄센터가 2012 회계 연도에 공공 서비스를 시작하기 위한 목적으로 후가쿠의 개발을 주도하도록 임명됐다.[2]
역사
후가쿠는 2014년 일본 정부가 제5차 과학기술기본계획을 수립할 당시 제시한 일본판 4차산업 혁명 사회 소사이어티 5.0을 구현하기 위한 시스템으로 개발이 시작됐다. 소사이어티 5.0으로 총칭되는 미래 사회는 사이버 공간과 물리적 공간을 통합한 시스템을 통해 경제발전과 사회 문제 해결의 균형을 맞추는 인간 중심 사회이다. 당시 일본 정부는 기술사회를 수렵 사회(소사이어티 1.0), 농업 사회(소사이어티 2.0), 산업 사회(소사이어티 3.0), 정보 사회(소사이어티 4.0)로 규정하고 정보 사회가 해결하지 못하는 문제 해결을 위한 도구로 세계 최강 슈퍼컴퓨터 개발에 눈을 돌렸다. 후가쿠 슈퍼컴퓨터는 2021년 4월부터 본격 가동된다. 후가쿠는 초기 개념이 제안된지 10년, 프로젝트가 공식 출범한 지 6년만에 완성했다.[3]
특징
슈퍼컴퓨터 후가쿠는 낮은 전력소비와 높은 계산 성능, 사용자 편의성 및 획기적인 결과 생성 능력이 있고 전력소비량이 30 ~ 40MW이다. 그리고 딥 러닝과 같은 인공지능 애플리케이션에도 적합한 설계이다.[4]
순위
전 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터에 일본의 후가쿠가 이름을 올렸다. 전 세계 슈퍼컴퓨터의 성능을 기준으로 1위부터 500위까지 순위를 기록하는 탑500이 슈퍼컴 목록 55번째 버전에서 기존 1위였던 서밋(Summit)보다 약 2.8배 성능이 향상된 후가쿠를 1위로 발표했다. 탑500에 이름을 올리는 것은 여러가지 면에서 의미 있는 자존심을 건 대결이다. 슈퍼컴 세계의 노벨상이라고 비교할만한 탑500 목록에서 얼마나 많은 슈퍼컴퓨터가 이름을 올렸는지, 얼마나 순위가 높은지에 따라 제조업체, 운영기관이나 기업, 그리고 해당 국가의 기술력과 자존심이 걸려있기 때문이다. 그런 면에서 1위에 오른 후가쿠는 몇 가지 의미가 있다. 첫 번째는 처음으로 슈퍼컴퓨터 순위 1위에 오른 ARM 프로세서 기반 슈퍼컴퓨터라는 점이다. 탑500 목록에 있는 슈퍼컴퓨터 중에서 ARM 기반 시스템은 4개에 불과하다. 그중에서 3개는 후지쯔의 A64FX 프로세서를 탑재했고, 나머지 하나는 마벨(Marvell)의 썬더X2(ThunderX2)를 사용한다. 두 번째느느 한동안 1위를 지키려는 미국과 1위를 차지하려는 중국의 싸움에 일본이 소리 없이 1위에 입성하며 고지를 탈환했다는 점이다. 탑500에 이름을 올린 전 세계 슈퍼컴 중에서 중국이 226개의 시스템을 보유하고 있고, 그 뒤를 이어 미국이 114대를 운영하며 2위를 차지하고 있다. 일본은 슈퍼컴퓨터 보유 수량은 30대로 3위를 기록하고 있지만, 보유 시스템 수만 보면 2위인 미국과만 비교해도 84대가 적지만, 전 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 배출한 것이다. 세 번째는 슈퍼컴퓨터를 제조하는 기업 관점에서 보더라도 후가쿠가 1위를 차지한것은 주목할 만 하다. 중국은 레노버(Lenovo)가 180대, 수곤(Sugon)이 68대, 인스퍼(Inspur)가 64대의 슈퍼컴퓨터를 구축했다. 500개의 슈퍼컴퓨터 중에서 62.4%가 중국 업체에서 만들어졌다. 하지만 제조업체가 만든 슈퍼컴퓨터의 전체 처리 속도를 기준으로 하면 성적표는 달라진다. 후지쯔의 경우 13대의 슈퍼컴퓨터 시스템을 구축했지만 전체 시스템 성능을 합하면 478페타플롭으로 1위가 된다. 2위는 180대의 슈퍼컴퓨터를 제작한 레노버로 전체 처리 성능 합계 355페타플롭으로 2위이다. 후카쿠의 전 세계 슈퍼컴퓨터 1위 자리는 미국 에너지부가 오크 리지 국립연구소에 1.5엑사플롭(EFlop) 이상의 처리 능력을 갖춘 프런티어(Frontier)라는 슈퍼컴퓨터 구축 계약을 체결했기 때문에 오래가지 못할 것이다.[5]
램
전 세계에서 가장 계산이 빠른 일본 슈퍼컴퓨터에 삼성전자 초고성능 D램이 탑재됐다. 이 슈퍼컴퓨터는 정보기술 산업의 결정체다. 경 단위의 숫자 정보를 초고속으로 컴퓨팅하는게 주 임무다. 특히 한일관계가 악화된 상황에서 일본이 1조원 이상을 투입한 슈퍼컴퓨터 국가프로젝트에 한국 삼성전자 D램을 채택한 것은 양국 이해관계를 뛰어넘는 어쩔 수 없는 선택이다. 일본은 글로벌 슈퍼컴퓨터 1위 자리를 탈환하기 위해 삼성전자 초고성능 D램이 필요했다. 또 후가쿠에는 삼성전자 HBM(고대역폭 메모리, High Bandwidth Memory)을 탑재했다. 일본이 국가 차원에서 자존심을 걸고 개발한 슈퍼컴퓨터에 삼성전자 제품을 탑재한 것은 사실상 삼성전자를 대체할 기업이 없기 때문이다. 슈퍼컴퓨터는 국가 기밀정보를 다루는 경우가 많아 일본 언론 등에서는 어떤 부품이 들어갔는지 밝히지 않는다. 일본 메모리 시장은 2018년 자국 반도체 산업의 최후 보루인 도시바가 무너진 이후 마이크론(미국)과 웨스턴디지털(미국) 제품에 크게 의존했지만 그런데도 후가쿠에 삼성전자 HBM2를 탑재한 것은 이들 미국 업체들이 삼성전자의 기술력에 뒤처진다고 판단했기 때문이다. 특히 중국이 후가쿠의 2배 이상 성능을 갖춘 슈퍼컴퓨터 개발 계획을 발표한 데 이어 미국도 초고속 슈퍼컴퓨터 오로라(Aurora)를 2021년부터 가동할 계획이어서 일본의 삼성전자 선택은 더 빨랐다. 슈퍼컴퓨터 개발에는 통상 5,000억원 이상 비용이 투입된다. HBM 성과를 계기로 삼성전자는 차세대 슈퍼컴퓨터 고객을 추가로 확보할 가능성도 높아졌다. 슈퍼컴퓨터의 성능 한계를 극복하려면 중앙처리장치와 초고성능 메모리의 역할이 핵심이며 삼성전자가 특유의 기술력으로 일본의 자존심인 슈퍼컴퓨터를 뚫은 것은 의미가 남다르다.[6]
운영체제
일본 고베 리켄 컴퓨터과학센터에 있는 세계 1위 슈퍼컴퓨터 후가쿠는 레드햇 엔터프라이즈 리눅스를 활용한다. 레드햇 엔터프라이즈 리눅스는 대부분의 인증된 아키텍처 및 하드웨어 구성에 일관되고 표준화된 고성능 경험을 제공하도록 설계되었다. 이와 같은 엄격한 표준과 일관성은 슈퍼컴퓨팅 환경에도 적용되어 하드웨어 기반과 관계없이 예측 가능하고 안정적인 인터페이스를 제공한다. ARM 기반 시스템 중 최초로 500대 리스트에서 1위를 차지한 후가쿠는 데이터센터부터 고성능 컴퓨팅 연구소에 이르는 ARM 생태계에 대한 레드햇의 기여를 보여준다. 또한 뛰어난 컴퓨팅 성능을 가능하게 하는 레드햇 엔터프라이즈 리눅스는 그린500(Green500) 리스트를 기준으로 세계에서 가장 전력 효율이 높은 슈퍼컴퓨터 10대 중 6대를 지원한다. 리스트에 있는 시스템은 성능 결과와 이를 달성하는데 소비되는 전력으로 순위를 측정한다. 그린500의 상위 10대 리스트중 레드햇 엔터프라이즈 리눅스가 지원하는 슈퍼컴퓨터에는 후가쿠 슈퍼컴퓨터 개발 및 테스트를 위한 프로토타입으로 일본 누마주의 후지쯔 공장에 있는 A64FX프로토타입도 있다. 레드햇 엔터프라이즈 리눅스에서 구동되는 슈퍼컴퓨터 배포는 어느 데이터센터에서든 통합 및 구매 가능한 하드웨어를 사용하기 때문에 실험실에서 사용하는 것과 유사한 엔터프라이즈 시스템을 기업이 사용할 수 있다. 레드햇 엔터프라이즈 리눅스는 기반 하드웨어와 관계없이 기존의 정보기술 시스템과 동일한 방식으로 슈퍼컴퓨터를 실행과 관리, 유지할 수 있는 공통 제어영역을 제공한다. 레드햇 엔터프라이즈 리눅스는 리눅스 컨테이너를 포함한 엔터프라이즈 정보기술의 발전을 위해 슈퍼컴퓨팅 애플리케이션을 활용 가능하도록 한다. 레드햇은 슈퍼컴퓨팅 컨테이너 프로젝트(Supercomputing Containers project)를 비롯한 오픈소스 커뮤니티와 긴밀히 협력해 레드햇의 분산 컨테이너 툴킷의 구성 요소인 포드맨(Podman)과 스코피오(Skopeo), 빌다(Buildah)가 컨테이너화된 슈퍼컴퓨팅 애플리케이션을 구축하고 배포 용이하도록 개선하고 있다.[7]
프로세서
컴퓨터의 두뇌를 맡고 있는 프로세서, 초점 중 하나는 반도체의 집적율이 18개월만에 2배가 되는 무어 법칙의 한계로 10년 이내에는 한계에 달할 것이다. 차세대로 가는 길로써 양자계산기가 화제에 오르지만 실용화는 멀고 용도를 내다보고 프로세서 기술을 어떻게 발전시키는 지가 시험된다. 디지털 변혁의 발전으로 계산양이 폭발적으로 증대해 인공지능의 계산수요는 5년동안 30만 배로 무어 법칙을 훨씬 뛰어넘는 속도로 계속 증가하고 있다. 프로세서 활용은 영상처리유닛(GPU)의 활용 등으로 활황이지만 동작주파수는 최대한이다. 이러한 가운데 후지쯔는 차세대 슈퍼컴퓨터 후가쿠의 두뇌인 64비트 프로세서 A64FX에 근사 컴퓨팅 사상을 도입하는 등 새로운 시도를 한다. 인공지능 처리를 동반하는 계산은 애플리케이션마다 풀이가 달라 적절한 풀이를 발견하는 것이 근사 컴퓨팅의 사고방식이다. 후지쯔는 하드웨어와 소프트웨어를 융합하는 방법 컴퓨터웨어를 제창한다. 그 중 하나는 비트 삭감 기술이다. 인공지능 처리는 통상 64비트로 계산하지만 비트 수를 32비트, 16비트, 8비트로 낮춰 계산을 뭉치는 방법이다. 비트 수를 떨어트릴 때 착오율을 애플리케이션마다 검증하고 그것이 일정 수준보다 밑돌면 충분히 학습할 수 있다. 비트 수를 줄일 수 있다면 프로세서 전체의 회로효율이 올라간다.[8]
전달
계약 물류 솔루션의 글로벌 시장 리더인 DHL Supply Chain은 일본 고베의 리켄 컴퓨팅 과학 센터에 432대의 슈퍼컴퓨터 후가쿠를 공급했다. 이것은 거대한 초정밀 기계를 운송하고 전달하기 위해 특별한 기술과 정밀성을 요구하는 큰 프로젝트였다. 결정적으로, 국가 비상 사태 동안 여행 제한으로 인한 혼란을 최소화하기 위해 민첩해야했다. DHL의 정밀 기계 온도 제어 물류 전문 지식은 진화하는 상황으로 인해 일정에 대한 여러 변경 사항을 처리하더라도 고가의 장비가 300km 이상 운송되지 않도록 보장했다. 무게가 1.6톤인 각 후가쿠 컴퓨팅 장치에서 700개월 동안 운송 됐다. DHL은 각 유닛의 크기가 엄청나기 때문에 고하중을 운반할 수 있는 특수 차량의 사용을 확보하기 위해 자원과 네트워크를 확장해야했다. 일본의 운송 차량이 요건을 충족하는 것은 극소수라는 점에서 특히 시급한 상황이었다. 마찬가지로, DHL은 이시카와 현 후지쯔 정보통신 제품의 카사시마 공장에서 효고현고베시의 리켄 시설에 이르기까지 보관 및 배송 프로세스 전반에 걸쳐 온도, 습도, 및 진동 제어 수단을 배치하여 후지쯔와 협력하여 기계가 문제없이 깨끗한 상태로 전달되도록 했다.[9]
구성
후가쿠 시스템은 SVE(Scalable Vector Extension) 명령어와 512 비트 구현을 사용하는 A64FX ARM v8.2-A를 기반으로 한다. 후가쿠 시스템은 하드웨어 장벽, 섹터 캐시, 프리 패치 및 48/52 코어 중앙처리장치와 같은 후지쯔 확장을 추가한다. 그리고 매우 높은 대역폭의 3D 스택 메모리, 1024GB/s의 4x8GB HBM, 온다이 Tofu-D 네트워크, 높은 SVE FLOP/s 및 다양한 인공지능을 지원한다. A64FX 프로세서는 범용 리눅스, 윈도우 및 기타 클라우드 시스템을 제공한다. 간단히 말해서 후가쿠는 가장 크고 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터다. 중앙처리장치는 ARM 아키텍처 버전 8.2A를 기반으로 하며 SVE 명령어를 채택한다. 후지쯔는 제조업체이며 중앙처리장치 칩은 TSMC 7nm FinFET 및 CoWoS 기술을 기반으로 한다. A64FX 프로세서는 48개의 컴퓨팅 코어와 운영체제에서 사용하는 2개 또는 4개의 보조 코어가 있는 다코어 ARM 중앙처리장치다. 후가쿠에는 총 158,976 개의 노드가 포함되며 랙당 384개의 노드 x 396(전체) 랙 = 152,064개 노드 및 192개 노드/랙x36(절반)랙 = 6,912개 노드가 포함된다. 이에 비해 K 컴퓨터에는 88,128 노드가 있었다. [10]
[11]컴퓨팅 시스템 시스템 설정 모델명 PRIMEHPC FX1000 노드 수 5,760 이론적 계산 성능 19.464 페타 플롭(배정밀도) 총 메인 메모리 용량 180TB 상호 연결 두부 인터커넥트 D 노드 구성 중앙처리장치 A64FX 이론적 계산 성능 3.3792 테라플롭 총 메인 메모리 용량 32GB
[11]범용 시스템 노드 구성 XL 노드 L 노드 M 노드 S 노드 모델명 PRIMERGY RX2540 M5 PRIMERGY RX2540 M5 PRIMERGY CX2570 M5 PRIMERGY RX2540 M5 노드 수 2 8 34 421 중앙처리장치 인텔 제온 골드 6240L 프로세서x2 인텔 제온 골드 6240 프로세서x2 인텔 제온 골드 6240 프로세서x2 인텔 제온 골드 6240 프로세서x2 이론적 계산 성능 2.99 테라 플롭 2.99 테라 플롭 2.99 테라 플롭 2.99 테라 플롭 메인 메모리 용량 6TB 1.5TB 384TB 192TB 그래픽처리장치 엔비디아 쿼드로 P4000x1 엔비디아 쿼드로 P4000x1 엔비디아 테슬라 V100x4 엔비디아 쿼드로 P4000x1 FP32 계산 성능 5.3 테라 플롭 5.3 테라 플롭 15.7 테라 플롭 5.3 테라 플롭 딥 러닝 성능 - - 125 테라 플롭 -
[11]병렬 파일 시스템 생산 능력 50.5 페타 바이트
소프트웨어 스택
Spack 패키지 관리자는 후가쿠에서 오픈소스 소프트웨어를 관리하는데 사용된다. Spack은 과학 소프트웨어를 훨씬 쉽게 설치할 수 있도록 고안된 리눅스 및 맥 운영체제용 패키지 관리자다. Spack은 특정 언어에 묶여있지 않다. 사용자는 파이썬으로 소프트웨어 스택을 구축하고 C언어, C++ 또는 포트란으로 작성된 라이브러리에 연결하고 컴파일러를 쉽게 교체하거나 특정 마이크로 아키텍처를 대상으로 정할 수 있다. 후가쿠 사용자는 사전 설치된 패키지를 쉽게 사용하고 Spack 레시피를 기반으로 패키지를 만들 수 있다. 다음 목록은 Spack 레시피에 따라 A64FX 용 패키지를 빌드 / 컴파일 한 결과를 보여준다. 이 목록의 결과가 각 패키지가 제대로 작동한다는 것은 보장하지 않는다. 한편, 후지쯔는 후가쿠에서 후지쯔 컴파일러로 컴파일된 패키지를 외부 패키지로 제공하며 Spack이 인식할 수 있다.[10]
OpenJDK11 Ruby 2.6.5 이상 파이썬2 2.7.15 파이썬3 3.6.8 Numpy 1.14.3 SciPy 1.0.0 이클립스 IDE 2019-09 R 패키지
다른 여러 소프트웨어 패키지도 사용할 수 있다.
DL4후가쿠 Chainer TensorFlow BLAS LAPACK ScaLAPACK SSL II EigenEXA KMATH_FFT3D[10]
우선순위 문제
슈퍼컴퓨터 후가쿠를 사용하여 해결해야 할 사회적 및 과학적 문제에는 건강과 장수를 제공하는 사회달성, 재해 예방 및 지구 기후 문제, 에너지 문제, 산업 경쟁력 강화, 기초 과학의 발전 등이 있다. 먼저 건강과 장수를 제공하는 사회 달성에는 생체 분자 시스템의 기능 제어를 통한 혁신적인 신약 발견 인프라와 개인화 및 예방 의학을 지원하는 통합 전산 생명 과학이 있다. 재해 예방 및 지구 기후 문제로는 지진 및 쓰나미로 인한 재해 및 재해에 대한 통합 시뮬레이션 시스템을 개발하고 관측 빅데이터를 활용한 기상 및 지구 환경 예측을 고도화해야한다. 에너지 문제는 고효율 에너지 생성, 변환/저장 및 사용을 위한 신 원천기술 개발, 혁신적인 청정 에너지 시스템 개발 가속화가 있다. 산업 경쟁력 강화에는 차세대 산업 지원을 위한 새로운 기능성 소자 및 고성능 소재 개발, 가까운 장래에 제조 산업을 선도하는 혁신적인 설계 및 생산 프로세스 개발등이 있고 마지막으로 기초 과학의 발전에는 우주의 기본 법칙과 진화의 해명이 있다.[4]
활용
코로나19
세계 최고의 연산 속도를 자랑하는 일본 슈퍼컴퓨터 후가쿠가 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 치료제 후보 약물을 다수 찾아냈다. 일본 이화학연구소와 교토대학은 이들 후보 약물이 세포내에서 코로나19 바이러스 증식 억제 기능을 한다고 보고 제약업체 등과 협력해 임상시험 추진 방안을 검토한다. 이화학연구소의 부 프로그램 디렉터인 오쿠노 야스시 교토대 교수팀은 기존의 항바이러스 약물과 항암제 등 총 2128종의 약물을 수집해 바이러스 증식에 관계하는 단백질에 결합해 증식 작용을 막는지 후가쿠로 계산해 예측했다. 그 결과 수집 종의 약물이 치료제로 유망한 것이 밝혀졌다. 연구팀은 후가쿠로 찾아낸 코로나19 치료제 후보 물질 가운데 기생충 구제약으로 쓰는 12종은 미국과 멕시코 등에서 코로나19 확진자에게 투여해 효능을 확인하는 연구가 진행되고 있다. 이와학연구소와 전자업체 후지쯔가 공동 개발한 후가쿠의 개발에는 일본 정부가 1100억엔(약 1조 2000억원)을 지원하는 등 거액의 국비가 투입됐다. 후가쿠는 2021년부터 본격 가동될 예정이지만 2020년 4월부터 코로나19 치료 후보 물질 발굴 등 5가지 테마의 선행 연구에 이용되고 있다.[12]
각주
- ↑ 이나리 기자, 〈Arm, 세계 속도 1위 ‘후가쿠 슈퍼컴퓨터’에 기술 기반 제공〉, 《헬로티》, 2020-06-23
- ↑ About the Project RIKEN Center for Computational Science - https://www.r-ccs.riken.jp/en/fugaku/project
- ↑ 곽노필 선임기자, 〈일본이 작심하고 세계 최강 슈퍼컴을 개발한 이유는?〉, 《한겨레》, 2020-06-24
- ↑ 4.0 4.1 What is Fugaku? FUJITSU - https://www.fujitsu.com/global/about/innovation/fugaku/
- ↑ 김달훈, 〈'ARM 슈퍼컴이 1위, 역대 처음'··· 日 후카쿠, 슈퍼컴 순위 수위 등극〉, 《시오》, 2020-06-25
- ↑ 이정혁 기자, 〈자존심 접은 日…공들이던 슈퍼컴에 '삼성전자 D램' 장착〉, 《머니투데이》, 2020-07-29
- ↑ 권용만, 〈레드햇, ‘레드햇 엔터프라이즈 리눅스’ 전 세계 톱 3 슈퍼컴퓨터 지원〉, 《아크로판》, 2020-07-06
- ↑ hjtic, 〈컴퓨터 프로세서, 한계에 도전한다--현행기술이 어떻게 발전할지〉, 《서울대학교공과대학》, 2020-01-06
- ↑ Plato, 〈DHL Supply Chain Japan successfully delivered Supercomputer “Fugaku”〉, 《zephyrnet》, 2020-07-10
- ↑ 10.0 10.1 10.2 REPORT ON THE FUJITSU FUGAKU - file:///C:/Users/C493/Downloads/icl-utk-1379-2020.en.ko.pdf
- ↑ 11.0 11.1 11.2 Fujitsu Receives Supercomputer Order from JAXA, Further Enhancing Global Competitiveness in Aerospace Research Fujitsu - https://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2020/0422-01.html
- ↑ 박세진 기자, 〈일본 슈퍼컴 '후가쿠' 코로나 치료 후보약물 수십종 발견〉, 《연합뉴스》, 2020-07-04
참고자료
같이 보기
