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문제 정의
- 본 연구의 목적은, (1) Top500 보고서를 이용하여 1993년 이후 슈퍼컴퓨터의 시스템 구조와 프로세서 구조가 어떻게 변화되어 왔는지에 대한 추이를 분석하고, (2) 전체 슈퍼컴퓨팅 응용분야와 WCR 분야에서 활용되는 슈퍼컴퓨터의 특징을 상호 비교하여 지난 12년간 WCR 분야에서 슈퍼컴퓨터 활용 경향과 변화 특징을 파악한 후에, (3) 가까운 미래에 WCR 분야에서 활용될 시스템 및 프로세서의 구조에 대한 전망을 제시하는 데 있다.
제안 방법
- Top500 보고서는 2004년 11월 기준으로 총 23개의 응용분야로 분류하고 있는데, 이 가운데 기상관련 응용분야는 기상/기후 연구와 기상예측 분야가 있다. 그런데 2000년 이전에는 기상/기후 연구 분야만 있었고, 기상/기후 연구 분야와 기상예측 분야를 구분하는 것이 모호하여 본 연구에서는 두 응용분야를 구분하지 않고 분석하였다. 또한 Top500 보고서에서는 일본의 지구 시뮬레이터는 특정 응용분야가 아니라 모든 분야에서 활용되는 것으로 분류하고 있으나 본 연구에서는 지구 시뮬레이터가 기후연구에 적극적으로 활용되고 있기에 특별히 WCR 분야에 포함시켜 분석하였다.
- 그런데 2000년 이전에는 기상/기후 연구 분야만 있었고, 기상/기후 연구 분야와 기상예측 분야를 구분하는 것이 모호하여 본 연구에서는 두 응용분야를 구분하지 않고 분석하였다. 또한 Top500 보고서에서는 일본의 지구 시뮬레이터는 특정 응용분야가 아니라 모든 분야에서 활용되는 것으로 분류하고 있으나 본 연구에서는 지구 시뮬레이터가 기후연구에 적극적으로 활용되고 있기에 특별히 WCR 분야에 포함시켜 분석하였다.
- 그리고 SMP 노드가 SMP를 구성하는 프로세서의 개수 보다 많을 때에는 MPP로 분류하고 있다. 본 연구에서는 Top500 보고서의 가장 최근의 분류 방법을 따르되, 성운은 SMP에 포함하여 분석하였다.
- 그런데 Top500 보고서에서는 CISC, RISC, VLIW를 별도로 구분하지 않고 크게 스칼라 프로세서로 보고, 1997년 이전에는 벡터, 스칼라, SIMD의 세종류로 구분하고 1997년 이후에는 벡터와 스칼라로만 구분하고 있다. 본 연구에서는 프로세서 아키텍처를 벡터와 스칼라로만 구분하여 분석하였다.
대상 데이터
- Top500 보고서에는 슈퍼컴퓨터의 실제성능, 이론 성능, 프로세서 개수 등이 제공되고 있는데, 본 연구에서는 이들 자료를 기초 자료로 사용하였다. 이 밖의 자료들은 Top500 사이트 (www.
- 지난 12년간 한 차례 이상 Top500 보고서에 WCR 분야에서 활용되는 슈퍼컴퓨터를 등재한 적이 있는 국가는 총 13개국이다. 본 연구에서는 13개 국가 중에서 우리나라와 주요 7개국 (미국, 영국, 프랑스, 독일, 일본, 캐나다, 호주)만을 대상으로 하였다. 이들 8개국은 지난 12년간의 Top500 보고서에 등재된 시스템의 실제성능 총합을 기준으로 하여 약 90% 정도의 자원을 보유해 왔다.
- 2004년 11월 기준으로 미국의 WCR 분야에서 활용되는 시스템 아키텍처는 크게 MPP와 클러스터로 구분되며 각각의 실제성능 총합은약 37TFlops, 8TFlops이다. 분석 대상 8개국 중 미국을 제외한 모든 국가의 WCR 분야에서 활용되는 시스템 아키텍처는 MPP이다. 이들 국가 중 한국, 호주, 일본은 벡터 프로세서 장착 MPP, 미국은 스칼라 프로세서 장착 MPP, 독일과 영국은 두 종류 MPP 시스템을 활용하고 있다.
- 가장 최근인 2004년 11월에 발표된 Top500 보고서에 따르면, 현재 세계 최고 성능의 컴퓨터는 미국 에너지성의 IBM BlueGene이다. 이 시스템은 총 32,768개의 프로세서로 구성되어 있고, 실제성능은 70.2Tflops이다. 최하위인 500위 슈퍼컴퓨터의 실제성능이 850.
- (1) 2004년 11월 기준으로 최고 성능의 시스템은 일본 지구 시뮬레이터로서 벡터 프로세서가 장착된 벡터시스템이며 Top500의 시스템 아키텍처 분류상으로는 MPP에 포함된다. 이론성능은 40TFlops이고, 실제 성능은 35TFlops로 2002년과 2003년에는 세계 1위를 차지하였으나 2004년에는 3위로 순위가 조정되었다. 국내 최고 성능 시스템은 기상청이 도입한 Cray X1인데 지구 시뮬레이터와 마찬가지로 벡터 프로세서가 장착되었으며 MPP로 분류되고 있다.
성능/효과
- 1차 시스템의 실제 성능은 약 2TFlops이다. (2) 초기에는 단일 프로세서의 성능이 우수한 벡터 프로세서 시스템이 지배적이었고, 중반에 단일 프로세서의 성능 한계를 극복하기 위하여 SMP 시스템 사용이 증가하였다. 최근에 WCR 분야에서도 병렬프로그래밍 기술이 일반화되면서 MPP 와 클러스터 시스템이 증가하고 있는데 특히 미국을 중심으로 클러스터 시스템 사용이 늘고 있다.
- 최근에 WCR 분야에서도 병렬프로그래밍 기술이 일반화되면서 MPP 와 클러스터 시스템이 증가하고 있는데 특히 미국을 중심으로 클러스터 시스템 사용이 늘고 있다. (3) 전통적으로 고가의 특수 제작 벡터 프로세서 장착 시스템을 선호하였으나 저가의 범용 스칼라 프로세서 장착 시스템의 대수가 증가하고 있다. 그러나 시스템 대수는 감소하였으나 성능 면에서는 지구 시뮬레이터로 인하여 벡터시스템이 총 성능에 기여하는 부분은 50%를 넘고 있다.
- 설치대수를 기준으로 시스템 아키텍처의 변화를 보면 전체 응용분야는 SMP 시스템은 줄어들고 클러스터 시스템이 증가하는 추세이나, 실제성능으로 보면 클러스터 시스템보다는 MPP 시스템이 차지하는 비율이 증가하는 추세이다. WCR 분야는 설치대수로 보면 SMP 시스템은 줄어들고 MPP 시스템이 증가하는 추세를 보이나, 실제성능으로 보면 MPP 보다 클러스터 시스템이 차지하는 비율이 증가하는 것으로 분석되었다.
- 1은 Top500보고서에 포함된 전체 시스템의 실제성능 총합, WCR 분야에 포함된 시스템의 실제성능 총합과 WCR 1위 시스템의 실제성능의 시간에 따른 변화를 비교한 것이다. 이 그림으로부터 전체 시스템의 성능 발전은 대체로 무어의 법칙을 따르는 것으로 보이며, WCR 분야에 활용되는 슈퍼컴퓨터의 성능이 전체 슈퍼컴퓨팅 응용 분야에서 차지하는 비율은 10% 정도임을 알 수 있다.
- Table 2는 1993년 대비 2004년의 프로세서 아키텍처의 변화를 프로세서 개수로 비교한 것이다. 전체 응용분야에서 스칼라 프로세서 개수가 20.5배 증가된 것에 비하여 WCR 분야에서는 무려 580.9배가 증가되었음을 알 수 있다. 이것은 WCR 분야가 전통적으로 그 어느 응용분야보다도 슈퍼컴퓨터를 많이 필요로 하는데, 과거에 고성능 컴퓨팅 구현은 벡터시스템을 중심으로 이루어졌기 때문에 상대적으로 WCR 분야에서 변화가 더욱 크게 나타나는 것으로 보인다.
후속연구
- (1) 최고 성능의 시스템 자리를 지구 시뮬레이터가 계속 유지할 것으로 전망되는데, 그 이유는 일본이 지구 시뮬레이터의 업그레이드 시스템으로 NEC 시스템 계열을 유지할 것으로 계획하고 있기 때문이다. (2) 예보의 정확도 향상 및 예보시간의 단축을 위하여 필요한 자원의 규모가 지속적으로 증가하고 높은 효율성이 요구되면서 성능한계를 극복할 수 있는 MPP 시스템과 저가의 클러스터 시스템이 증가하는 추세가 계속될 것으로 전망된다. (3) 호주, 캐나다, 프랑스, 일본, 우리나라에서는 벡터 프로세서가 장착된 시스템을 선호해 왔으며 이와 같은 추세는 당분간 지속될 것으로 전망된다.
- 이에 시스템의 확장성 측면에서 SMP 시스템은 제한을 받기 때문에 시스템 구조가 MPP 시스템으로 발전하는 것은 당연한 일이다. 여기에 통신부하를 최소화하여 계산성능을 높이기 쉽고 프로그래밍이 상대적으로 용이한 SMP 시스템을 병합하여 분산공유메모리 형태의 MPP 시스템 구축이 선호되고 있으며, 이 때문에 하이브리드 프로그래밍 기술이 더욱 활성화될 것으로 예상된다.
- (3) 호주, 캐나다, 프랑스, 일본, 우리나라에서는 벡터 프로세서가 장착된 시스템을 선호해 왔으며 이와 같은 추세는 당분간 지속될 것으로 전망된다. 특히 일본 지구 시뮬레이터와 우리나라 기상청이 Cray X1의 2차 시스템을 2005년 중으로 도입할 예정이어서 WCR 분야에서의 벡터 프로세서가 차지하는 비율은 더욱 증가될 것이다. 반면에 미국을 중심으로 스칼라 프로세서 시스템이 지속적으로 증가하는 추세도 유지될 것으로 전망된다.
- 본 연구에서는 Top500의 분류 방식을 따라 시스템 아키텍처를 구분하였는데 현재 Top500 보고서는 분산 공유메모리 시스템을 그 규모에 따라 성운 또는 MPP 로 구분하고 있어서 SMP와 MPP 사이의 시스템 아키텍처 분류가 명확하지 않다는 문제점이 지적되고 있다. 향후 분석에서는 MPP 시스템을 MPP 스칼라 시스템, MPP 벡터 시스템, SMP 클러스터 등과 같이 보다 상세하게 구분하고, WCR 분야를 좀더 세분화하여 슈퍼컴퓨터 보유 추이 분석을 하고자 한다.
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