지난 몇 년간 중국의 기술이 급속도로 발전하면서 세계를 위협하기 시작했다. 중국의 기술 발전 속도와 함께 미국과 중국이 5G 네트워크 통신, 반도체 제조, 우주 탐사 등 여러 분야에서 경쟁을 펼치는 양상을 보였다. 최근에는 미국과 중국의 경쟁 영역이 슈퍼컴퓨터 영역으로도 확장되었다.
현재 미국은 세계 슈퍼컴퓨터 상위 500위 중 1위를 차지한 ‘프론티어 HPE 크레이(Cray) EX’를 보유했다. 프론티어는 100경 분의 1초의 속도로 연산 작업을 처리한다. 일반 노트북보다 20억 배 더 빠르다는 의미이다.
중국이 현재 보유한 톈허-3(Tianhe-3)는 세계 슈퍼컴퓨터 상위 500위 평가 대상에 포함되지 않았다. 그러나 일부 컴퓨터 과학 전문가는 톈허-3의 연산 속도가 프론티어와 비슷하다고 추측한다.
현재 세계가 개발 중인 슈퍼컴퓨터가 빠른 연산 처리 속도를 구현한다면, 미래에 여러모로 변화를 가져올 수 있을 것이다. 이 때문에 미국과 중국은 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 개발 경쟁을 이어가고 있다. 이에, 미국 유력 매체 월스트리트 저널이 양국의 슈퍼컴퓨터 개발 동향을 분석했다.
오크 리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 소장 토마스 자카리아(Thomas Zacharia)는 미국이 장기간 전 세계 슈퍼컴퓨터 분야에서 우위를 점했다고 전했다. 실제로 미국은 1960년대부터 전 세계 슈퍼컴퓨터 분야에서 압도적인 우위를 차지했다.
그러나 어느 순간부터 중국이 슈퍼컴퓨터 개발 경쟁에 합류하고, 미국의 긴장감을 자극할 정도가 되었다.
세계 컴퓨터 시스템 평가 기관 탑500 프로젝트(Top500 Project)의 공동 창립자 잭 돈가라(Jack Dongarra)는 “중국은 2001년부터 고성능 컴퓨터를 진지하게 다루었다. 그리고 현재의 톈허-3와 같은 수준의 슈퍼컴퓨터를 개발할 수 있는 수준으로 기술력이 발전했다”라고 설명했다.
이어서 “중국은 2001년, 전 세계 슈퍼컴퓨터 순위 상위 500위 평가에서 150위에 이름을 올렸다. 20년 만에 세계 주요 슈퍼컴퓨터를 개발한 것은 매우 빠른 속도로 기술력이 향상했음을 시사한다”라고 전했다.
중국 연구팀은 톈허-3 개발 성과를 탑500 프로젝트에 제출하지 않았다. 그러나 일부 전문가는 톈허-3의 연산 처리 속도가 프론티어와 같은 100경 분의 1초에 이를 것으로 추산한다.
미국과 중국 모두 이처럼 빠른 연산 처리 속도를 지원하기 위해 컴퓨트 노드(compute node)에 집중했다. 컴퓨트 노드는 기본적으로 슈퍼컴퓨터의 빌딩 블록과 같은 역할을 한다. 각각의 컴퓨트 노드는 일반 개인용 컴퓨터와 같은 모습이다.
프론티어의 컴퓨트 노드는 칩 2세트를 갖추었으며, CPU가 기기의 지시를 처리하는 중추적인 역할을 한다. 그리고 액셀러레이터로 CPU의 성능을 강화한다.
슈퍼컴퓨터는 기본적으로 개인용 컴퓨터의 컴퓨트 노드 여러 개를 두고 초고속 성능 실행을 지원하는 형태라고 볼 수 있다. 일례로, 프론티어는 총 74개 캐비넷의 조합으로 형성되었다. 캐비넷 1개당 컴퓨트 노드 총 9,408개가 포함되었으며, 무게는 약 8,000파운드이다. 캐비넷에 보관된 슈퍼컴퓨터의 컴퓨트 노드 모두 서로 연결돼, 빠른 속도로 정보를 전송한다.
톈허-3도 프론티어와 똑같이 캐비넷에 컴퓨트 노드를 연결한 구조로 개발된 것으로 알려졌다. 그러나 중국 정부는 정확한 구조와 규모를 공개하지 않았다. 그러나 현지 국영 언론과 톈허-3 개발에 참여한 연구팀의 주장을 종합하면, 톈허-3의 캐비넷은 총 100개이며, 컴퓨트 노드는 5만 개 미상으로 추정된다.
실제 슈퍼컴퓨터의 연산 처리 능력에 가장 큰 영향을 미치는 결정적인 요소는 칩이다. 이를 기준으로 슈퍼컴퓨터의 성능을 판단하기도 한다.
월스트리트저널은 슈퍼컴퓨터 칩 영역에서 미국이 중국보다 유리하다고 설명했다. 미국 과학자는 자국의 최첨단 칩 제조사와 반도체 설계 전문가가 보유한 기술에 접근할 수 있기 때문이다. 프론티어의 칩은 미국 주요 반도체 개발사인 AMD의 칩을 채택했다.
자카리아 소장은 오트 리지 국립연구소 연구팀이 AMD와 함께 프론티어 칩 설계 부분에서 긴밀히 협력했다고 밝혔다. 그는 “프론티어가 적용한 AMD 칩은 슈퍼컴퓨터의 성능 전달에 필요한 조건을 갖춘 최신 설계와 기술로 제작한 프로세서”라고 언급했다.
반면, 중국은 칩 제조 분야에서 불리하다. 중국에는 최첨단 칩 제조 및 반도체 설계 기술을 보유한 기업이 없기 때문이다. 중국은 인텔, 엔비디아 등 미국 제조사 제품에 의존해왔다. 하지만 2015년, 미국이 자국 반도체 기업에 중국 슈퍼컴퓨터 개발 기관 대상 수출을 금지한 이후로 미국산 제품에 의존할 수 없는 상황이 되었다.
결국, 톈허-3 연구팀은 자체 칩 설계를 착수했으나 지금까지 칩 설계 과정을 외부에 공개하지 않았다.
그렇다면, 미국과 중국이 슈퍼컴퓨터 개발에 몰두하는 이유는 무엇일까?
이 부분에서 돈가라는 “슈퍼컴퓨터 개발 시 가장 빠른 연산 처리 속도 지원 이외에 최고의 과학 지식을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 보유했다면, 매우 정확한 과학적 시뮬레이션이 가능해진다”라고 설명했다.
월스트리트저널은 코로나 시대에 슈퍼컴퓨터의 중요성이 부각되었다고 전했다. 그 예시로 프론티어가 코로나19 게놈 1,100만 개를 분석해, 변이 바이러스 예측 정확도를 높인 것을 언급할 수 있다.
자카리아 소장은 “프론티어가 다음 대유행병 예측 단서와 차세대 백신 개발과 치료에 도움이 되었다. 이를 코로나19 확산세 이외에 다른 질병 예방과 치료에도 활용할 수 있다”라고 말했다.
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