- 복잡하고 방대한 연산이 필요한 부문에서 활약하고 있는 고성능 컴퓨팅 -

- 앞으로 산업 경쟁력, 국가 안보, 과학적 진보 및 삶의 질에 많은 기여할 것 -

 

 

 

미국, 코로나19 백신 및 치료제 개발을 위한 ‘COVID-19 High Performance Computing Consortium(코로나19 고성능 컴퓨팅 컨소시엄)’ 출범

미국은 2020년 3월 23일자로 백악관 과학 기술 정책국(White House Office of Science and Technology Policy), 미국 에너지부(U.S. Department of Energy) 및 IBM이 주도하는 민간-정부 합동 ‘코로나19 고성능 컴퓨팅 컨소시엄’을 출범하고 감염역학, 생물정보공학, 분자모델링 분야 등의 방대한 연산, 처리 및 광범위한 연구에 세계 최고 수준의 고성능 컴퓨팅 이용 및 리소스 사용을 적극적으로 지원함으로써 코로나19 백신 및 치료제 개발 속도에 박차를 가하고 있다.

 

COVID-19 HPC 컨소시엄 소개

자료: covid19-hpc-consortium 홈페이지

 

코로나19 고성능 컴퓨팅 컨소시엄이 목적으로 하는 구체적인 프로젝트는 다음의 세 가지, ① 분자동역학(Molecular Dynamics) 및 하이브리드 양자역학(Hybrid Quantum Mechanics), 분자역학(Molecular Mechanics)을 사용해 코로나19 표적 약물 후보 물질 개선, ② COVID-19 주요 단백질분해효소의 새로운 펩티드 억제제 설계를 위한 앙상블 기반 시뮬레이션 및 분석 워크 플로우, ③ HPC 및 AI로 인간 코로나 바이러스의 분자 표적 발견으로 요약된다.

 

이를 위해 IBM, 아마존, 마이크로소프트, 구글 등 주요 ICT 기업과 미항공우주국(NASA), 미국국립연구소(US National Labs), 메사추세츠공과대학(MIT), 백악관 과학 기술 정책국, 미국 에너지부 등이 공동으로 참여하고 이어서 로렌스 버클리 국립 연구소, 에너지부 산하 국립 연구소들이 관련 시설과 인력을 포함해 역량을 보태었으며, 최근 인공지능기술의 선도기업인 엔비디아도 컨소시엄에 합류하면서 관련 연구에 자사 인공지능 기술을 제공할 예정임을 밝혔다.

 

참여 기업, 학계, 연구소, 연방 기관 리스트

자료: covid19-hpc-consortium 홈페이지

 

그렇다면 코로나19 치료제 및 백신의 연구개발에도 사용되는 고성능 컴퓨팅이란 구체적으로 무엇인지, 그 활용범위를 비롯해 시장 동향은 어떤지 사뭇 궁금해진다.

 

고성능 컴퓨팅(HPC)이란 무엇인가

고성능 컴퓨팅(High-Performance Computing: HPC)이란 고급 연산 문제를 풀기 위해 병렬처리를 이용한 고성능 컴퓨터 및 컴퓨터 클러스터를 사용하는 것으로 과학 연구, 엔지니어링 디자인, 금융 분야 등과 관련돼 고성능 컴퓨터를 이용하는 것을 의미함이 일반적이다. 고성능 컴퓨터는 컴퓨팅, 네트워킹 및 스토리지 기술의 발전으로 완성된바 매우 복잡한 경우의 수와 연산이 필요한 작업에 이용함으로써 데이터 집약적인 분야에서 높은 속도와 성능으로 문제를 해결할 수 있다.

 

한편 고성능 컴퓨팅은 구성 요소별로 하드웨어와 소프트웨어, 배포 유형별로 온프레미스(on-premise)와 클라우드로 나눌 수 있다. 특히 배포 유형과 관련해서는 서버 등 컴퓨팅 자원을 사내에 직접 구축하는 형태인 온프레미스형이 여전히 시장입지가 공고하지만 비용 절감이나 스토리지 확장 등과 같이 온프레미스형이 안고 있는 문제를 해결할 수 있는 클라우드형이 시장잠재력을 이끌고 있는바 시장 전망 부문에서 좀 더 알아보기로 한다.

 

고성능 컴퓨팅, 어디에 활용될까

 

고성능 컴퓨팅은 기후, 날씨 모델링, 지질학적 석유 탐사, 유전체학, 단백질체학, 분자역학, 생물정보학, 전산유체역학, 소음·진동학, 전기자기학, 머신 러닝, 딥 러닝, 음성 및 얼굴 인식, 패턴 인식과 같은 과학 연구, 그 밖에도 엔지니어링 디자인, 금융 분야와 같은 복잡하고 방대한 연산이 필요한 분야에서 실행되고 있다.

 

고성능 컴퓨팅 활용 예시

활용 분야	내용
유전체학	DNA 염기서열 결정(게놈 시퀀싱)과 관련한 빅데이터를 분석해 유전체학에 이용하고 임상진단은 물론 복잡한 질병 연구에 사용
단백질체학	유전산물인 단백질을 연구함에 있어서 복잡한 단백질 3차원 구조를 인식하고 유전 정보를 해석하는데 사용
분자역학 및 양자역학·분자역학	분자의 양자역학적 계산, 즉 전자들의 분포 모양을 통해 분자의 화학적 성질과 반응성을 설명하는 슈뢰딩거의 방정식을 푸는데 활용  최근에는 단백질 3차원 구조를 정확하게 알 수 있는 양자역학과 고전역학을 접합시킨 양자역학·분자역학(QM/MM) 방법에 고성능 컴퓨팅을 활용하고 단백질의 독특한 생리기능을 정확하게 이해하고 설명
기계항공	차세대 자동차·항공기 설계 및 모의실험에 활용
입자물리	이론, 실험에 있어서 대규모 시뮬레이션·데이터 처리에 활용
나노물리	시뮬레이션을 통한 나노 구조체의 구조 및 동역학 등을 규명하여 나노 소재를 활용한 과학기술 및 산업 기술 첨단화에 기여
지구과학	지구 환경 변화를 지속적으로 관찰하고 이를 통해 수집된 대량의 데이터를 분석해 앞으로 발생할 수 있는 변화(지진해일, 기후변화, 온난화 등)를 예측하는데 활용
금융	신용카드 도용, 보험 사기 등을 사전에 방지하는데 사용

자료: KOTRA 실리콘밸리 무역관 검색 및 정리

 

현재 고성능 컴퓨팅은 기초과학부터 첨단응용과학 분야까지 과학기술의 전 분야에 걸쳐 필수적으로 사용되고 있으며 금융, 물류 유통, 엔지니어링 디자인과 같은 분야까지 그 활용범위를 점차 넓히고 있는 추세이다.

 

고성능 컴퓨팅은 클라우드 기술에 힘입어 시장 잠재력을 확대하는 중

고성능 컴퓨팅 시장과 관련한 최근의 보고서(Modor Intelligence)에 의하면 고성능 컴퓨팅 시장은 2019년에 359억 달러로 평가됐으며, 2025년까지 예측 기간(2020-2025) 동안 7.02%의 CAGR로 2025년에는 시장 규모가 532억 달러에 이를 것으로 예상된다.

 

고성능 컴퓨팅 시장 연평균 성장률

자료: Modor Intelligence(2019)

 

고성능 컴퓨팅 시장을 이끄는 주요 국가는 미국, 중국, EU, 일본이며 국가별 주요 플레이어는 다음과 같다.

 

자료: Modor Intelligence(2019), KOTRA 실리콘밸리 정리

 

미국은 전 세계 초고성능 컴퓨터를 50% 이상 보유하고 있는 고성능 컴퓨팅 시장 최강국으로 다른 연방기관에 비해 기초 및 응용과학 연구지원을 많이 하고 있는 에너지부와 국방부를 중심으로 고성능 컴퓨터를 도입해 운영하고 있다. 중국은 2000년대 들어서면서 초고성능 컴퓨팅 산업이 급속도로 발전하면서 미국에 이어 2위의 고성능 컴퓨팅 강국으로 자리매김했으며, 엑사스케일 컴퓨팅 개발을 추진 중인 일본과 유럽도 주요 국가로 입지를 다지고 있다.

 

고성능 컴퓨팅은 사물 인터넷(IoT), 인공 지능(AI) 및 3D 이미징과 같은 기술의 성장에 따라 조직이 작업해야 하는 데이터의 크기와 양이 기하 급수적으로 증가하고 있고 이러한 인공 지능과 사물 인터넷 산업이 성장함으로써 시장이 점차 확대될 것으로 보이며, ICT 산업이 빠르게 성장하고 있다는 점도 고성능 컴퓨팅 시장에서 간과할 수 없는 잠재요인이다.

 

또한 클라우드 컴퓨팅은 온프레미스보다 빠르고 비용면에서 효과적인 자원을 확보하는 것이 가능하고 클러스터 및 스토리지 확장이 용이하며, 대용량 온프레미스 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 바 주요 플레이어들은 온프레미스형이 갖고 있는 한계점을 극복하기 위해 고성능 컴퓨팅 작업을 클라우드에서 실행할 수 있는 리소스를 제공하고 있는 추세인 바 이에 힘입어 고성능 컴퓨팅 시장 잠재력이 확대되고 있다.

 

MS의 Azure가 클라우드에서 제공하는 고성능 컴퓨팅(HPC) 리소스 유형

자료: Azure

 

미국의 고성능 컴퓨팅 관련 현주소

미국은 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서 세계 1위의 서밋(Summit: 148.6Pf, IBM)을 보유하고 있고 로렌스리버무어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 세계 2위의 시에라(Sierra: 94.64PF, IBM) 시스템을 보유하고 있는바 초고성능 컴퓨팅 분야 세계최강 유지를 위해 전방위적으로 투자를 아끼지 않고 있다.

 

정책적으로는 91년 세계 최초로 고성능 컴퓨팅 법을 제정했고 2016년에 네트워킹 및 정보기술 연구개발 현대화 법률 개정, 2017년에 미국 혁신 경쟁력 법률을 개정해 초고성능 컴퓨팅 분야에 예산 투자를 적극적으로 확대해 왔으며, 2021년에는 엑사스케일 컴퓨터 구축을 목표로 2023년까지 시스템 당 6억 달러의 R&D 투자를 하는 것을 계획하고 있다.

 

시사점

고성능 컴퓨팅은 산업 경쟁력, 국가 안보, 과학적 진보 및 삶의 질에 많은 기여를 하고 있는바 많은 국가들이 정교한 고성능 컴퓨팅 시스템을 개발하고 학계, 산업 및 정부 기관에 배치하기 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있으며, 주요 플레이어들은 각계의 다양한 요구사항을 충족시킬 수 있는 솔루션을 개발하고 제공하는데 집중하고 있다.

 

미국이 코로나19 백신 및 치료제 개발을 위한 ‘코로나19 고성능 컴퓨팅 컨소시엄’을 출범한 예로 알 수 있듯 고성능 컴퓨팅을 활용해 신종 전염병·재난·환경문제·기후 변화 등에 대한 예측 시스템을 구축한다면 국민 생활과 직결된 공공 서비스 분야의 질적 향상이 기대되는 바 국내에서도 정부 차원에서 고성능 컴퓨터용 CPU 개발에 460억을 투입해 2023년까지 핵심 자원을 개발하는 내용의 사업을 발표(과학기술정보통신부, 2020.3.30.)하는 등 관련 기술 역량을 제고할 계획이다.

 

아울러 4차 산업혁명시대에 이르러 과학기술의 패러다임이 대용량의 데이터를 분석하는 데이터 집약형으로 전환되고 있는바 고성능 컴퓨팅에 기반한 데이터 분석의 R&D 혁신에 대한 수요는 더욱 증가할 전망으로 연구개발 과정에서 생산되는 결과데이터를 함께 공유하고 활용하는 통합 플랫폼의 구축이 필요하므로 우리 기업들은 이러한 견지에서 향후 전략을 세우는 것이 바람직할 것이다.

 

 

자료: covid19-hpc-consortium, Mordor Intelligence, Azure, KOTRA 실리콘밸리 무역관 자료 종합