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농업기상재해 조기경보시스템에서의 고해상도 격자형 자료의 처리 속도 향상 기법
Speed-up Techniques for High-Resolution Grid Data Processing in the Early Warning System for Agrometeorological Disaster 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.19 no.3, 2017년, pp.153 - 163  

박주현 (에피넷) ,  신용순 (에피넷) ,  김성기 (에피넷) ,  강위수 (에피넷) ,  한용규 (에피넷) ,  김진희 (국가농림기상센터) ,  김대준 (국가농림기상센터) ,  김수옥 (국가농림기상센터) ,  심교문 (국립농업과학원) ,  박은우 (서울대학교)

초록
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데이터 처리 속도는 예보 능력과 관련이 있다. 최신의 입력 자료를 이용한 예측 데이터의 고속 생산은 신속한 대처를 가능하게 한다. 또한 알고리즘 작성, 계산, 결과 평가, 알고리즘 개선으로 이어지는 순환 구조를 원활하게 할 뿐만 아니라 오류 발생시 빠른 시간 내에 복구할 수 있게 하는 등 매우 중요한 요소이다. 현재의 조기경보 시스템은 매 계산 주기 마다 섬진강 유역의 10개 시군에 대해 30미터 해상도격자형 자료를 400개 이상 생성하고 있으며(중간 데이터 포함) 최대 9일까지 예보되는 자료를 포함할 경우 600개 이상이다. 이는 전국을 30미터 해상도로 약 45개를 생성하는 계산양과 비슷하다. 또한 14,000여개의 필지에 대한 구역 통계와, 각 래스터의 평균, 최대, 최소 등의 통계자료 생성도 함께 수행 해야 한다. 이와 같은 대량의 데이터를 한정된 시간 내로 처리하기 위한 몇 가지 기법을 적용하여 적용하였으며, 아직 적용은 못하였으나 가능성의 여부를 평가해 보는 것으로 본 연구를 진행하였다. 그 결과 앞서 제시된 래스터 캐시, NFS 캐시, 분산 처리를 모두 적용할 경우 데이터 처리 시간을 1/8로 단축 시킬 수 있음이 확인되었다. 또한 GPU를 이용한 연산을 적용할 경우 일부 모듈에 대해 매우 큰 폭으로 수행 시간을 단축 시킬 수 있음을 확인하였다. 다만 캐시를 위한 추가적인 디스크, GPU라는 별도의 하드웨어, 추가된 하드웨어 지원을 위한 고출력 전원 장치와 이에 따른 UPS (Uninterruptible power supply, 무정전 전원공급 장치)까지 상대적으로 높은 사양으로 준비해야 하는 비용적인 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서 제시한 네 가지 기법 중 세 가지는 계산 서버 추가를 통한 수평적 성능 확장에 관한 것이다. 하지만 서버의 추가가 처리 속도 향상으로 이어지지 않음은 물론 오히려 저하시키는 경우가 있다. 본 연구에서는 특정 시간 내로 작업을 완료 시키지 못하면 해당 작업을 반환하여 다른 서버가 처리하는 간단한 방식을 이용한다. 하지만 이런 문제를 지속적으로 발생시키는 계산 서버가 발견된다면 정해진 기준에 따라 계산 작업에서 완전히 퇴출 시켜야 성능 향상에 도움이 된다. 따라서 처리 속도에 대한 정확한 원인을 검사하고 이를 실시간으로 반영할 수 있는 기법이 필요하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to enhance the model's speed of estimating weather variables (e.g., minimum/maximum temperature, sunshine hour, PRISM (Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model) based precipitation), which are applied to the Agrometeorological Early Warning System (ht...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • GPU를 이용한 병렬 처리는 하나의 래스터를 고속으로 처리하기 위해 그리고 GPU가 래스터를 처리하는 동안 CPU를 다른 작업에 이용할 수 있도록 하여 시스템의 성능을 향상 시키는 데 그 목적을 두었다. 조기경보 시스템은 별도의 GPU 하드웨어를 탑재되어있지 않으며, CPU 또한 OpenCL™ (Open computing language)을 지원하지 않는 모델이기 때문에 추가적인 자원 투입 없이 적용할 수 있는 기법이 아니다.
  • 래스터 캐시는 다양한 종류, 영역, 해상도의 입력자료를 데이처 처리 시점에 동적으로 지원하고 독립된 프로세스의 중복 연산을 줄임으로써 결과적으로는 데이터 처리 속도를 일정하게 유지하면서도 다양한 형식의 데이터를 지원하는 것을 목표로 하였다. 그 결과 래스터 캐시를 사용하는 것은 사용하지 않는 것 대비 데이터의 처리 속도가 최대 3배 향상됨을 볼 수 있었다.
  • 다만 캐시를 위한 추가적인 디스크, GPU라는 별도의 하드웨어, 추가된 하드웨어 지원을 위한 고출력 전원 장치와 이에 따른 UPS (Uninterruptible power supply, 무정전 전원공급 장치)까지 상대적으로 높은 사양으로 준비해야 하는 비용적인 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서 제시한 네 가지 기법 중 세 가지는 계산 서버 추가를 통한 수평적 성능 확장에 관한 것이다. 하지만 서버의 추가가 처리 속도 향상으로 이어지지 않음은 물론 오히려 저하시키는 경우가 있다.
  • 농업기상재해 조기경보시스템은 기후 상세화 모형, 생물계절 예측모형, 농업기상재해 예측모형, 전국기반 위험지수 산출모형 등 총 4가지 서브 시스템으로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 각 서브 시스템을 구성하는 모형을 고속으로 처리하는데 사용될 수 있는 4 가지 기법(래스터 캐시, NFS 캐시, 분산 처리, GPU 병렬 처리)에 대해 소개한다. 그리고 각 기법에 대한 수행 성능을 평가하고 해당 기술 도입 시 기존 대비 얻을 수 있는 데이터 처리 속도 향상 비율을 확인하여 보았다.
  • 분산 처리는 다수의 코어를 가진 하나의 서버뿐만 네트워크로 연결된 여러 서버를 이용하여 처리 해야 할 복수 개의 작업을 분산시켜 최종적으로 수행 시간을 단축 시키는데 목표를 두었다. 조기경보 시스템을 위해 운영되고 있는 4개의 모든 서버를 이용한 것과 1개의 GIS 서버를 이용한 것을 비교하는 것으로 성능을 측정하였다.
  • 또한 14,000여개의 필지에 대한 구역 통계와, 각 래스터의 평균, 최대, 최소 등의 통계 자료 생성도 함께 수행 해야 한다. 이와 같은 대량의 데이터를 한정된 시간 내로 처리하기 위한 몇 가지 기법을 적용하여 적용하였으며, 아직 적용은 못하였으나 가능성의 여부를 평가해 보는 것으로 본 연구를 진행하였다. 그 결과 앞서 제시된 래스터 캐시, NFS 캐시, 분산 처리를 모두 적용할 경우 데이터 처리 시간을 1/8로 단축 시킬 수 있음이 확인되었다.

가설 설정

  • 최초 N개의 프로세스가 동시에 하나의 래스터 데이터에 대한 접근을 수행한다고 가정한다. N개의 프로세스는 각각 원본 래스터 파일에 대한 캐시 파일이 존재하는지 검사하며 캐시 파일이 있는 경우 그 파일이 잠겨있는지 검사한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
농업기상재해 조기경보시스템은 어떻게 구분되는가? 농업기상재해 조기경보시스템은 기후 상세화 모형, 생물계절 예측모형, 농업기상재해 예측모형, 전국기반 위험지수 산출모형 등 총 4가지 서브 시스템으로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 각 서브 시스템을 구성하는 모형을 고속으로 처리하는데 사용될 수 있는 4 가지 기법(래스터 캐시, NFS 캐시, 분산 처리, GPU 병렬 처리)에 대해 소개한다.
분산 처리란 무엇인가? 분산 처리(Distributed Computing)는 네트워크 상에 분산된 컴퓨팅 처리 자원을 이용하여 하나의 처리 장치에서 수행하기 어려운 거대 문제를 해결하고자 하는 컴퓨팅 모델이다. 앞서 기술된 바와 같이 4대의 준고성능 서버가 하나의 네트워크상에 연결되어 있으며 각 서버는 최소 8개의 작업을 동시에 전개할 수 있는 능력을 가지고 있다.
본 연구에서 적용한 분산 처리의 서버는 어떤 특징을 가지는가? 분산 처리(Distributed Computing)는 네트워크 상에 분산된 컴퓨팅 처리 자원을 이용하여 하나의 처리 장치에서 수행하기 어려운 거대 문제를 해결하고자 하는 컴퓨팅 모델이다. 앞서 기술된 바와 같이 4대의 준고성능 서버가 하나의 네트워크상에 연결되어 있으며 각 서버는 최소 8개의 작업을 동시에 전개할 수 있는 능력을 가지고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Ahn, J. B., J. N. Hur, and A. Y. Lim, 2014: Estimation of fine-scale daily temperature with 30 m-resolution using PRISM. Atmosphere 24(1), 101-110. 

  2. Amdahl, G. M., 1967: Validity of the single processor approach to achieving large-scale computing capabilities. AFIPS Conference Proceedings 30, 483-485. 

  3. Chung, U., K. Yun, K. S. Cho, J. H. Yi, and J. I. Yun, 2009: The PRISM-based rainfall mapping at an enhanced gridcell resolution in complex terrain. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 11, 72-78. 

  4. Kim, C. Y., Y. C. Kim, Y. C. Kim, S. M. Lee, Y. K. Kim, and D. W. Seo, 2014: Performance enhancement of distributed file system as virtual desktop storage using client side SSD cache. Computer and Communication System 3(12), 433-442. 

  5. Kim, D. J., and J. I. Yun, 2013: Improving usage of the Korea meteorological administration's digital forecasts in agriculture: 2. Refining the distribution of precipitation amount. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 15(3), 171-177. 

  6. Mielikainen, J., B. Huang, and H. L. A. Huang, 2013: Speeding up the computation of WRF double-moment 6-class microphysics scheme with GPU. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 30(12), 2896-2906. 

  7. Ozimek, I., A. Hrovat, A. Vilhar, and T. Javornik, 2015: GPU computation acceleration of GRASS GIS modules for predicting radio-propagation. International Journal of Communication 9, 76-85. 

  8. Rodgers, D. P., 1985: Improvements in multiprocessor system design. ACM SIGARCH Computer Architecture News archive 13(3), 225-231. 

  9. Sugiura, T., 1999: Prediction of full bloom date of pear using air temperature. Agriculture and Horticulture 54(10), 146-149. 

  10. Zhang, J., S. You, and L. Gruenwald, 2015: Efficient parallel zonal statistics on large-scale global biodiversity data on GPUs. Proceedings of the 4th International ACM SIGSPATIAL Workshop on Analytics for Big Geospatial Data, 35-44. 

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