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2014년 3월 21일 금요일

중국의 엑사급 슈퍼컴퓨터 계획

어제는 일본의 국가 슈퍼컴퓨터 계획에 대해서 포스팅을 하였습니다. 오늘은 중국입니다. 중국과 일본은 다 대한민국과 치열한 경쟁을 하고 있는 인접 국가 들이죠. 사실 이 분야에서 치열한 경쟁을 하고 있는 지는 나중에 좀 더 알아보도록 하겠습니다.

중국은 이미 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있는 나라입니다. Tianhe-2는 33.8 페타 플롭스(PFlops)의 성능을 자랑하고 있습니다. 사용된 프로세서가 3만 2천개, 보조 프로세서가 4만 8천개, 총 8만개에 달합니다. 여기에 독자적인 네트워크용 실리콘 및 OS를 사용하고 있습니다. 이런 중국이 엑사급 슈퍼컴을 만들겠다는 계획을 가지고 있다는 것은 당연하게 여겨지는 사실입니다. 2009년 Thianhe-1을 통해 중국이 슈퍼컴에서 새롭게 두각을 나타내기 시작해서 Thianhe-1A, Tihanhe-2까지 왔습니다. 이 이후 중국은 2015년 이내에 지금의 성능보다 3배 뛰어난 100PFs 시스템을 내 놓겠다는 강한 의지를 보이고 있습니다. 그동안 해 왔던것을 보면 어려운 일도 아닌것 같습니다.
중국 슈퍼컴 역사 및 계획

그런데 자료를 잘 살펴보면 100PFs의 성능은 Tianhe-2의 시스템 업그레이드를 통해서 뿐만 아니라 Shenwei-x를 통해서도 이루려고 하는 듯합니다. Shenwei는 중국 자체 기술 기반의 프로세서로서 벌써 3대째 제품입니다. 좀 더 자세한 정보는 여기를 클릭하시면 얻으실 수 있습니다. 제 생각으로는 중국이 반도체 공정 기술만 가지고 있었으면 지금보다도 더 뛰어난 제품을 더 일찍 선보이지 않았을까 생각합니다. 현재의 제품이 65나노 공정을 사용하고 있으니 14nm기반과는 비교도 못되죠. 그렇지만 과거 10년동안 꾸준히 투자를 해 왔다는 사실이 믿기지 어려울 정도로 놀라울 따름입니다.
중국 100 PFs 슈퍼컴 계획

엑사급 슈퍼컴을 만들겠다는 중국의 계획은 이 뿐만이 아닙니다. 엑사급 슈퍼컴을 위한 실험적인 시스템을 2016까지 진행을 한다고 합니다. 지금보다 10배 정도 에너지 효율성이 뛰어난 시스템을 실험적으로 만들고 본격적인 엑사급은 2018년이나 2019년으로 목표를 삼지 않을까 생각합니다. 중국의 프로젝트는 2년 주기로 진행되는 것 같아 보입니다. 엄청나게 빠르게 진행하고 있는 것이죠.
중국의 엑사급 슈퍼컴은 노드당 10 테라 플럽스에 광 스위치 그리고 와트 당 50GFlops의 에너지 효율성으로 생각을 하고 있는 것 같습니다. 지금 최신의 서버 프로세서랑 대략적으로 비교를 해보면 대략 20배 이상의 성능과 에너지 효율성이 향상 되어야만 될 것 같습니다. 지금과 다른 새로운 개념의 Quantum 컴퓨팅이나 광 컴퓨팅도 생각을 하고 있는 듯합니다.
일본, 중국 그리고 중국을 겨냥하고 있는 인도, 전통적으로 많은 투자를 해 오고 있는 유럽 국가들중 한국은 어느 정도의 위치에 있을까요?

참조

2013년 7월 28일 일요일

암달의 법칙과 구스타프슨의 법칙 비교

이번 글에서는 지난 글(슈퍼컴퓨터에서의 무어의 법칙 - 암달의 법칙, 구스타프슨의 법칙)에 이어 암달의 법칙과 구스타프슨의 법칙을 애미메이션 영화에 적용하여 설명을 하겠습니다. 이 예를 통해서 어느 정도 이해가 더 쉽게 되길 바랍니다.

쉬렉과 같은 애니메이션 영화나 아니면 요즘 개봉되고 있는 "Mr. 고"같은 컴퓨터 그래픽이 들어가는 영화는 각종 특수 효과들을 컴퓨터를 이용하여 구현을 합니다. 이때 특수효과들을 더 실제와 가깝게 하기 위해서는 많은 컴퓨팅 시간이 필요합니다. 또한 렌더링 작업도 많은 시간이 걸리게 됩니다. 복잡도에 따라 걸리는 시간은 다르겠지만 서버 한대로 수시간이 필요하다고 합니다. 여기서 계산을 간단히 하기 위해서 프로세서의 코어 하나가 필름 한장을 처리하는데 100시간이 걸리다고 합시다. 즉, 한 화면을 우리가 눈으로 볼 수 있는 형태로 바꾸는데 싱글 코어로는 4일이 넘게 걸리는 것이죠. 당연히 이 시간을 줄여야겠죠. 더 최신의 프로세서를 사용한다거나 코어수가 많은 프로세서를 사용하려 할 것입니다. 이때 코어수가 10개인 프로세서 2개가 장착되는 서버로 계산을 한다고 하면 시간이 얼마가 걸릴까 궁금하겠죠. 이럴때 적용할 수 있는 것이 바로 암달의 법칙입니다.

S(N) = 1/((1-P) + P/N)

S(N), 바로 성능향상은 전체 프로그램중 병렬화가 차지하는 부분과 병렬화를 담당하는 시스템의 수(N)의 관계입니다. N이 증가하면서 생기는 오버해드를 무시하고 병렬화 비중이 95%라고 하면 코어수 하나에서 실행했을 때 100시간 걸리는 것이 10개 코어 프로세서 2개를 사용하면 대략 9.7시간이 걸릴 것으로 예상되고, 이때 최대 속도 향상은 10.2배입니다. 코어수는 20배 증가했는데 속도는 10.2배밖에 향상이 되지 않습니다.

그런데 영화를 제작하는데 있어서 필름 한두장만 컴퓨터로 만드는 것은 아닙니다. 상연시간이 2시간이고 초당 프레임수가 24인 영화를 만든다면 총 17만 2천8백장의 화면을 만들어야 합니다. 코어수가 20인 위 서버로 계산을 한다면 무려 4600년이나 되는 엄청난 시간이 걸린다는 계산이 나옵니다. 그럼 이렇게 엄청난 데이터 처리를 어떻게 할까요? 영화 만드는 것을 포기하라구요?  방법이 있죠. 바로 서버수를 늘리면 되는 것입니다. 서버 한대에서 처리할 것이 아니라 서버 1000대에서 처리하면 4.6년으로 줄게 되고 2000대로 계산하면 2.3년이면 되죠. 약간 다른 관점으로 보면 서버 한대로 9.7시간 동안 1 화면을 렌더링 할 수 있었다면 서버 1000대로 동일한 9.7시간동안 거의 1000화면 처리를 할 수 있게 됩니다. 이때 바로 적용할 수 있는 것이 구스타프슨의 법칙입니다. 계산 과학에서 커다란 문제는 병렬화를 효과적으로 하여 처리할 수 있다는 개념이죠. 암달의 법칙인 병렬화 부분에 성능향상이 제한된다는 것에 사로잡히지 말라는 것입니다. 작업을 한대의 시스템에서 처리할 수 있는 양만큼 나눈후 시스템 수를 늘리라는 것이다. 컴퓨터의 수에 따라 성능 향상은 비례한다라는 것입니다. 확장성의 법칙입니다. 바로 클러스터링을 이용한 슈퍼컴퓨터의 기본 개념이 되었고 구글이나 네이버, 페이스북등 거의 모든 인터넷 포털 업체들이 수천대의 서버에서 수만대의 서버를 운용하는 이유이기도 합니다.

구스타프슨의 법칙 수식은 아래와 같습니다.

S(P) = a + P(1-a) = P - a x (P-1)

성능향상은 프로세서수 P에 비례하며 기울기는 (1-a)가 됩니다(a는 병렬화 할 수 없는 부분). 암달의 법칙에서는 성능향상이 프로세서수가 아무리 증가해도 특정값으로 제한이 되는데 구스타프슨의 법칙에서는 비례하죠. 바로 관점의 차이가 결과도 다르게 나오는 것입니다. 그렇다고 어느 한 식이 잘못됐다는 것은 아닙니다.

지난 관련 글

2013년 7월 24일 수요일

슈퍼컴퓨터에서의 무어의 법칙 - 암달의 법칙, 구스타프슨의 법칙

고성능 컴퓨팅(HPC, High Performance Computing) 또는 슈퍼컴퓨터의 세계에서는 암달의 법칙이나 구스타프슨의 법칙은 반도체에서 무어의 법칙만큼이나 잘 알려진 법칙입니다. 이 두 법칙은 컴퓨팅 자원이 많아진다면 그 성능은 어떻게 달라질까에 대한 이론적 설명을 하고 있습니다. 이번 글에서는 이 두 법칙이 무엇이며 고성능 컴퓨팅에서 의미하는 바는 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

우선 이 두가지 법칙은 무었인가요? 암달의 법칙은 병렬 컴퓨터 또는 고성능 클러스터링 컴퓨터에서 성능 향상은 순차적인 부분이 전체의 프로그램에서 차지하는 비율에 제한된다라는 것입니다. 즉, 아무리 많은 컴퓨팅 자원이 있더라도 순차적인 부분이 차지하는 비율에 따라 그 성능 효과는 다르다라는 것입니다. 예를 들면, 아래그래프를 보면 프로그램의 50%만이 병렬화 할 수 있는 부분이라면 이론적인 성능 향상은 아무리 많은 프로세서를 사용하더라도 최대 2배로 제한됩니다. 이에 반해 구스타프슨의 법칙은 암달의 법칙과는 조금 다른 시각에서 바라본 법칙으로 작은 컴퓨터로 처리하기 어려운 대용량 데이터 처리는 효과적으로 병렬화하여 처리 할 수 있다는 법칙입니다. 두 법칙의 차이는 관점의 차이로서 암달의 법칙은 여러 사람(컴퓨터)이 일을 함으로써 일 처리 시간을 단축할 수 있다는 시간적인 시각에서 최대 성능향상을 예측할 수 있는 방법을 제시했다면 구스타프슨의 법칙은 여러 사람(컴퓨터)이 일을 함으로써 더 많은 일처리를 할 수 있다는 처리양적인 관점에서 바라본 것입니다. 예를 들면 한사람이 한나절 걸려서 처리 할 수 있는 일을 똑같은 처리능력을 가진 두 사람이 똑 같이 나눠서 일을 하면 반나절이면 끝낼 수 있다라고 보는 것이 암달의 법칙이라면, 구스타프슨의 법칙은 한사람이 하루에 하던 일을 두 사람이 동일한 하루 동안에 하면 두배의 일을 할 수 있다라고 보는 것입니다. 이 개념이 클러스터링을 이용한 고성능 컴퓨팅의 기본 개념적 바탕이 되었습니다.

아래 도표를 보면 암달의 법칙이나 구스타프슨의 법칙은 프로세서의 수가 많아지면 성능향상은 이루어 지게 됩니다. 암달의 법칙 도표를 보면 병렬화 부분이 차지하는 비율에 따라 성능향상을 이룰 수 있는 폭은 커지지만 언젠가는 성능향상이 한계에 닿게 됩니다. 특정 이상의 자원 추가는 무의미 하다는 것이죠. 그렇지만 구스타프슨은 성능 향상 기울기의 차이는 있을 수 있어도 자원의 증가는 곧바로 성능의 향상으로 이어진다라고 보는 것입니다. 현재의 단일 컴퓨터로 처리하기가 어려운 충분히 커다란 대용량의 처리는 각 컴퓨터에 맞게 적당히 일을 나눠 많은 수의 컴퓨터로 처리할 수 있다고 보는 것입니다.

암달의 법칙

구스타프슨의 법칙

다음 글에서는 이러한 법칙이 고성능 컴퓨터(HPC) 또는 슈퍼컴퓨터에서 어떤 의미가 있는지 살펴보겠습니다.

2013년 7월 17일 수요일

전경련 빌딩 유리벽의 비밀 - 자연과학을 이용한 에너지 이용 극대화

회사 앞에 위치한 전국 경제인 연합회(전경련)의 새로운 빌딩이 한창 공사중입니다. 오가며 바라보는 빌딩을 가까이서 보면 그렇게 높은 생각이 들지 않다가 멀리 신촌에서도 빌딩이 불뚝 솟은 모습을 보면 참으로 높다라는 생각이 들게 됩니다. 지하 6층에 지상 50층 건물로 63빌딩과 비슷한 높이라고 합니다.

그런데 가만히 건물 외관을 살펴보면 기발하고 재미있는 것이 있습니다. 보통의 유리 빌딩들은 외벽 유리들이 다 평편한데 이 건물은 밖으로 올록 볼록 튀어 나왔습니다. 우리 전통 가옥의 처마가 처진 모양입니다. 무슨 이유가 있어 보입니다. 어떤 이유일까요?

아름다움의 표현에 대해서 언급을 하기 보다는 저는 기능적인 면에서 설명을 할까 합니다. 커다랗게 두가지 숨은 기능이 있다고 생각합니다.
첫째, 각 처마의 위치에는 태양 전지판이 있어 태양 발전을 합니다. 전력을 생산하는 것이죠. 그리고 여름에 태양 광선과 전지판이 직각에 가깝게 세움으로써 전지판의 사용 효율을 극대화 하였습니다. 아래 하지때의 그림을 보면 시각적으로 쉽게 이해가 되리라 생각됩니다.
두번째는 사계절에 따른 태양 고도가 변화하는 자연현상을 잘 이용하여 냉난방을 자연적으로 극대화했습니다. 여름에는 햇볕을 차단하여 시원하게 할 수 있고, 반면에 겨울에는 햇볕을 최대한 실내로 받아 들여 자연 난방을 할 수 있는 구조입니다. 냉난방을 자연의 현상을 이용하여 효율적으로 하고 있는 것이죠.

여름철 태양의 고도 및 채광

겨울철 태양의 고도 및 채광 
첫번째에 대해서는 특별히 설명을 하지 않아도 쉽게 이해하시리라고 생각합니다. 두번째에 대해서 좀 더 부연 설명을 드리면, 여름에는 서울 태양의 남중고도는 76도 정도 됩니다. 즉, 이때 태양 전지판으로 전기를 생산함과 동시에 햇볕이 건물 안으로 들어오지 못하게 가리게 됩니다. 그렇지만 겨울에는 전력을 생산하는 것보다는 따듯하게 하는 것이 더 중요하므로 태양 빛이 건물 안으로 많이 투과가 되면 될수록 더 좋습니다. 이것을 고려하여 태양 전지판을 적절한 크기와 적절한 기울기로 세웠습니다. 그림에서 보시듯이 여름에는 햇볕이 투과되지 않고 겨울에는 투과가 되는 것을 보실 수 있습니다. 아주 뛰어난 발상이죠. 그리고 전기를 생산할 때인 여름에는 햇빛 가림막 역할을 함과 동시에 최소 면적으로 최대 전력을 생산할 수 있는 각도로 맞춰 설계를 했습니다. 결론은 자연과학을 이용하여 비용을 낮추고 자연을 보호하는 1석 2조의 효과를 얻는 것이죠.

참고
남중고도란 천체가 가장 남쪽에 왔을 때의 고도를 말합니다. 태양의 남중고도는 "90도 + 적위 - 그 지방의 위도"로 구합니다. 서울의 위도는 37.5도이며, 적위는 동지때는 -23.5도이며 하지때는 +23.5도가 됩니다. 따라서 하지 때의 남중 고도 h는 90˚ -37. 5˚+23.5˚ = 76˚ , 동지 때의 남중 고도 h는 9 0˚-37.5˚ -23.5˚ = 29˚ 가 됩니다.