일본 정부가 2022년 내로일본산 양자컴퓨터 1호를 가동하겠다고 선언했다. 일본은 슈퍼컴퓨터의 한계를 인지하고 양자 컴퓨터 기술을 국가패권 핵심기술이라고 천명하고 구체적 전략을 수립했다.
일본은 수퍼컴퓨터와 로봇학에서 최세 최강이다. 이미 미국수준을 넘어섰다. 메타버스 시대에 수퍼컴은 필수품이다. 여기다 수퍼컴의 한계가 오는 시점이라 기술 강국들이 양자컴퓨터를 개발중이다
독일은 하는데 왜 우리 영국은 못하냐. 영국인들이 하는 말이다. 일본은 하는데 왜 우리 한국은 못하나. 메타버스 시대에 필수품은 수퍼컴퓨터와 양자컴퓨터이다. 엄청나게 많은 양의 데이터와 이를 처리하는 연산능력이 필요하기 때문이다.
1. 전세계 성능 1위 일본의 수퍼컴퓨터 후가쿠
슈퍼컴의 시작 1985 미국 크레이
슈퍼컴은 미국에서 1985년 크레이(CRAY)사가 개발해 대중에게 처음 알렸다. 최근 GPU(Graphic Processing Unit)기술 개발 발전에 힘입어 기존 CPU기반에 비해 성능이 크게 증폭되었다. 이는 고성능 컴퓨터보다 진화한 컴퓨터이다.
슈퍼컴은 4차 산업혁명의 첨병
수퍼컴퓨터는 국가의 과학기술 수준 척도가 된다. 전방위 미래산업, 의료, 우주, 군사, 인공지능, 날씨 등 최첨단 여러 분야에서 인류 기술을 선도하고 있기 때문이다.
4차사업혁명 시대의 핵심 인프라이다. 강대국 패권을 차지하기 위한 가장 중요한 국가전력물자에서 핵심적인 요소이다. 미중 무역분쟁에 수퍼컴퓨터도 포함된다.
수퍼컴은 과학 연구와 산업및 군사 개술 개발에 사용되는 강력한 시물레이션을 위한 핵심 기반을 형성한다. 그래서 중국 미국 일본이 매우 경쟁하고 있다. 이 세 나라는 막대한 연구비와 인력을 지원하고 있다.
메타버스 시대를 앞두고 상업적 활용성이 더욱 주목받는다. 디지털 트윈, AR, VR 자율주행 등과 같은 다양한 기술과의 복합적인 연산 처리에 필수적이다.
미국-유럽 TOP500 프로젝트가 인정한 일본 후카쿠 뛰어난 점
후카쿠(Fugaku 415.530 PetaFlops)는 432개의 랙에 ARM기반 48코어 A64FX프로세서 15만 8천 976개가 병렬로 연결된 구조이다. 후카쿠는 코로나19 치료제 개발을 위해 필요했던 단백질 구조 예즉 연구에도 적용되었다. 수년간 연구 과정을 몇분 안으로 단축시켰다.
후가쿠는 처리속도가 1초에 44경 번이다. 후지쯔와 고베 이화학연구소 리켄이 공동개발했다. 일본 정부가 투여한 막강투자를 기반으로 2020년 미국을 꺾고 1위에 올라섰다. 2021년에도 TOP500에서 3년패를 달성했다.
미국-유럽 TOP500 프로젝트가 순위를 발표했다. 이는 전세계 수퍼컴퓨터를 대상으로 가장 뛰어난 500대의 슈퍼컴퓨터시스템의 순위를 정하고 성능 등을 소개한다.
2021년 57회 고성능커뮤팅 국제회의 ISC2021에서 6월28일 TOP500이 발표했다.
High Performance Conjugate Gradient, HPCG실제 애플리케이션 성능,
HPL-AI(High Performance Linpack -AI)인공지능 애프리케이션 성능,
Linpack단 반·정밀도 연산기능,
그래프500(빅테이터 부하 처리 성능)을 포함한 4관왕을 3년 연속 차지했다.
*고성능컴퓨팅= High Performance Computing, HPC
즉, 후카쿠는 기본적인 계산속도, 산업용도, 인공지능, 응용 프로그램 및 빅테이터 분석을 위한 계산 방법의 성능을 측정한 4가지 부문에서 1위를 차지했다.
반면 같은 기간 한국은 4단계 추락했다. 국가경쟁력을 다시 생각한다. 한국의 기초과학 경쟁력은 뒤로 가고 있는 건가. 정부도 민간도 기초과학에 막대한 투자를 해야 한다. 기초과학이 살 길이다.
후카쿠는 미국 오크리지 국립연구소가 개발한 기존 1위 수퍼컴 서밋 시스템보다 2.8배 빠르다. 그러나 미국과 중국이 더 빠르고 좋은 것을 준비중이시다.
삼성 3세대 메모리 D램 후카쿠에 탑재
그나마 다행은 자존심 쎈 일본이 결국 수퍼컴퓨터에 삼성전자 D램을 탑재했다는 것이다. 삼성전자는 2020년 초에 수퍼컴퓨터용 3세대 메모리를 출시했다. 이 제품은 세계 최초로 초당 4.2기가비트까지 데이터를 전달하는 획기적인 제품이다.
이는 1초에 무려 538 기가바이트를 처리하며 2시간 짜리 풀HD영화 110편을 단 1초만에 판독하는 속도이다. 1페타플롭스(PetaFlops)1초당 1000조번의 수학연산 처리 속도이다. 415.530 PetaFlops는 무려 41경 5530조 번에 이르는 연산 능력이다.
일본 후가쿠 개발에 들어간 비용은 10억달러(=2천억 원)이상이다. 2020년 상반기에 발표된 일본 후카쿠는 6개월 전의 미국 서밋 컴퓨터보다 무려 2.8배 성능이 높아졌다. 개발과 제조에 공적 자금 1,100억 엔을 투입한 결과이다.
전세계 슈퍼컴 보유대수와 개발상황
성능도 중요하지만 각 나라의 수퍼컴퓨터 보유 대수도 매우 중요하다. 세계 수퍼컴퓨터 500위 랭킹에 중국이 압보적으로 거의 절반인 226대를 보유하고 있다.
중국이 흐름을 파악하는 눈이 있고 전략을 치밀하게 실행함을 알 수 있다. 1위 중국 226대, 2위 미국 114대, 3위 일본 30대, 4위 프랑스 18대, 5위 독일 16대. 한국 3대이다(2021년 기준).
최근 미국 엔비디아가 공개한 수퍼컴 에오스(EOS)는 1초에 1840경 번에 당하는 연산이 가능하다. 메타는 올해 초 1초에 500경 번의 연산처리가 가능한 수퍼컴을 개발하겠다고 발표했다.
고성능컴퓨터 HPC 개발경쟁도 치열하다. 미국 에너지부 관할 연구소에 구축되는 1대당 5억~ 60억 달러가 투입된 엑사 스케일(Exascale) 3기종 출시 앞두고 있다.
오크리지 국립연구소의 프런티어는 미국 AMD의 CPU/GPU의 하이브리드 아키텍처 수퍼컴퓨터이다. 오랜 역사를 가진 HPC전문업체 미국의 크레이Cray를 인수한 미국 휴렛패커드 엔터프라이즈가 개발과 제조를 담당한다.
아르곤국립연구소가 인텔에 발주한 오로라Aurora는 인텔의 CPU/GPU 하이브리드 수퍼컴이다. 인텔의 칩 제조가 늦어지고 있어서 등장이 2022년으로 연기되고 있다. 로렌스리버모어 국립연구소의 엘캐피탄 El Capitan이 2022년 등장예정이다. AMD의 CPU/GPU를 탑재되고 클레이가 개발 제조한다.
중국은 아직 신작 출시를 안했다. 그러나 개발이 진행 중이라고 봐야 한다.
TOP500에 클라우드 HPC가 4건 등록
공공 클라우드 베이스의 HPC가 있다. 대표적으로 마이크로소프트의 AzureHPC가 있다. 이것은 AMD와 미국 엔비디아의 하이브리드 클러스터이다.
클라우드 HPC는 이용량에 따라 요금을 받는 서비스이다. 계산에 필요한 비용을 바로 알 수 있다. 이것이 확대된다면 성능에만 초점을 맞춘 TOP500에 계산 단위에 계산 비용도 포함한 실용성이 높은 랭킹법이 도입될 수도 있다.
수퍼컴 문제
수퍼컴은 기술개발이 매우 빨라서 교체주기가 4~5년이다. 교체주기가 되면 구매가의 1천분의 1수준도 안되는 가격에 폐기한다.
미국도 일본도 교체주기가 되면 수퍼컴을 해체한다. 노트북처럼 기존 제품을 그대로 사용하는 것보다 우수한 신제품으로 교체하는 것이 오히려 비용을 아끼는 셈인 것이다.
수퍼컴은 개발비도 엄청나지만 유지비도 어마어마하다. 한국 기상청의 수퍼컴은 전기세만 연중 최소 20억원~ 25억원이다. 연 60억원 운영 유지비의 큰 부분은 전기세이다. 전력을 신재생 에너지에서 나온 전기로 충당하지 않으면 지구온난화에 악영향을 끼친다.
수퍼컴은 0과 1 이진법이라 연산능력에 한계에 도달하고 있다. 이것이 가장 중요한 이유이다. 그래서 미국, 중국, 일본 등이 양자 현상을 이용한 양자컴퓨터 개발에 사활을 걸고 있다.
2. 세계 최고 수퍼컴퓨터 후카쿠 클라우드 서비스 제공
후지쯔 CaaS(Computing as a Service)
후지쯔는 후카쿠를 자체 클라우드를 통해 사용할 수 있는 클라우드 서비스를 공개했다. 서비스 이름은 후지쯔 CaaS(Computing as a Service)이다. 클라우드를 통해 후카쿠의 컴퓨터 파워와 소프트웨어를 그대로 제공한다.
자체 개발한 양자 컴퓨팅 기술인 양자 디지털 어닐러와 인공지능 등의 소프트웨어를 비롯해 서비스 제휴 기반, 컨설팅이나 튜닝 서비스도 클라우드 상품으로 지원한다.
별도 HPC환경을 구축할 필요 없이 데이터만 준비해 필요한 만큼 사용하도록 사전 설정도 제공한다. 이로써 민간기업은 해당기술을 조합해 금융 서비스, 제조 기술 효율화와 지진이나 쓰나미의 예측 등 재해 시물레이션 등 광범위한 용도에 적용가능하다.
후지쯔는 올해 10월부터 일단 일본에 해당 서비스를 우선 시작한다. 이후 유럽, 아시아 태평양과 미주를 포함한 전역에 글로벌 출시할 예정이다.
서비스 공개 이유
공개이유는 후카쿠 개발 및 운영에 투입된 과도한 비용을 해결하기 위한 것이다. 아울러 일본 정부기관 및 학술기관을 넘어 사용 저변을 확대해 효율성을 높이기 위해서이다.
슈퍼컴은 대규모 장비를 운용하기 위해 엄청난 전기세를 비롯해 냉각비, 인건비 등으로 연간 수십억원에서 수백억 원의 운영 비용이 든다. 한국 기상청의 슈퍼컴만 해도 연간 운영비가 60억원이다.
카스의 최소 이용 요금은 월 10만엔이다. 사용하는 컴퓨팅 파워나 이용 시간에 따라 비용이 달라진다.
후카쿠는 최신 고성능 컴퓨팅 기술을 탑재한 수퍼컴으로 개발되었고 지난 2년 동안 149개 회사에서 성공적인 사례를 만들었다. 지속적으로 후카쿠에 대한 수요가 증가하고 있어 이를 지원하기 위해 클라우드로 제공하기 위해 많은 준비를 했다.
그동안 후카쿠는 코로나 대응 연구에 집중했다. 앞으로기후변화 신약개발 등 다양한 분야에 활용될 것이다. 일본에는 과학기술연구기구(RISP)가 있어 전체를 관리한다.
“수퍼컴은 국가의 핵심기술이다. 건강하게 장수하는 사회를 구축하고 재난 완화 및 더 나은 에너지 사용을 구축하는데 도움이 되는 결과를 달성할 수 있도록 책임있게 관리한다”(RISP 책임자)
3. 수퍼컴퓨터를 넘는 일본 양자기술 성장전략 핵심 육성
2022년 올해 양자컴퓨터 1호기 정비
일본정부가 차세대 핵심 기술인 양자 기술 육성 전략을 이달 중으로 수립한다. 국가의 미래 먹을거리에 장기적인 안목에서 미리 선점 투자하는 것이다. 일본은 이를 새로운 자본주의의 성장전략이라고 표현한다.
양자기술 성장전략 핵심을 육성한다. 올해 양자컴퓨터 1호기 정비하고 양자 기술 연구 지원 거점을 도호쿠대, 오키나와과학기술대학원 등 일본 내 4곳에 마련한다.
양자기술이 국가패권 핵심기술 천명
이와 함께 양자이용 기술자를 1000만 명 수준으로 확대하고 양자 기술을 이용한 생산액을 50조엔(=493조 원)규모로 육성한다. 그리고 양자 미래사회비전이란 새 전략에 양지기술을 미래 국가간 패권 다툼의 핵심이 되는 중요기술이라고 명기했다.
양자기술은 현존하는 모든 수퍼 컴퓨터와 비교불가능할 정도로 속도가 빠른 양자 컴퓨터나, 도청 위험이 없는 암호 통신 등에 응용이 가능하다. 양자기술은 양자컴퓨터의 초고속 연산, 양자 통신의 초신뢰 보안, 양자센서의 초정밀 계측 등을 가능하게 하는 혁신적인 기술이다.
양자기술은 주변환경과는 분리된 상태로 기초 분자들을 조작하는 기술이다. 실험 환경을 벗어나 안정성, 실용성, 비용 효율성을 갖춘 시스템으로 재현하는 것이 과제이다.
이 과제에는 양자물리학의 이질성이 문제이다. 양자 현상은 같은 시간에 두 개의 장소에 존재할 수 있는 분자, 즉 순간 이동 개념을 다룬다. 양자 컴퓨팅도 이를 응용해서 0과 1이 동시에 나타나는 현상으로 연산능력을 무한히 늘린다.
이미 미국, 중국 등에서 양자기술이 차세대 게임 체인저가 될 것으로 보고 앞다퉈 기술개발에 나서고 있다. 일본정부는 공적기금을 활용해서 양자기술 산업을 지원하겠다는 구상이다.
한국도 ‘국가백년지계 양자컴퓨터 혁신전략’을 통해 양자커뮤터 육성을 서둘러야 하는 시점이다. 유기적인 산·학·연 협력이 필요하다. 무엇보다 범정부적인 투자와 활용 환경구축이 뒷받침 되어야 한다.
당장은 고성능급 컴퓨터, 수퍼컴이 훌륭한 대안이지만 미래에는 모든 기업들이 수퍼 검퓨터를 거쳐 혹은 건너뛰어 바로 양자 컴퓨터를 보유하게 될 것이다.
마무리
2014년 한국정부도 양자정보통신 중장기 추진전략을 발표하며 국가 차원의 양자연구를 시작했으나 한국은 수퍼컴퓨터 조차 개발 못하고 수입해서 쓰고 있다. 윤석열 우리 새정부도 미시적이고도 거시적인 안목으로 기초과학에 투자를 늘려 한국산 양자컴퓨터를 기대해 본다.
일본은 슈퍼컴과 로봇학에서 매우 뛰어나다. 일본 정부가 양자기술이 국가패권 핵심기술 천명하하고 2022년 내에 기필코 양자컴퓨터 1호기 정비하겠다고 선언했다. 또한 양자이용 기술자를 1000만 명 수준으로 확대하고 양자 기술을 이용한 생산액을 50조엔(=493조 원) 규모로 육성한다.
