이러한 획기적인 발전은 다수의 산업 분야에 걸쳐 복잡한 기계적 난제들에 대한 새로운 해결책을 가능하게 합니다.
로모노소프 모스크바 국립대학교와 베이징과학기술대학이 협력한 선전 MSU-BIT대학교 연구진은 균열 및 재료 손상을 모델링하는 데 사용되는 비국부 이론(non-local theory)인 페리다이나믹스(peridynamics, PD)의 효율성을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 계산 알고리즘을 개발했다고 보고했습니다. 이 새로운 방법은 성능을 최대 800배 향상시켜 대규모 재료 시뮬레이션 속도를 극적으로 개선했습니다.
페리다이나믹스는 항공우주, 토목 공학, 군사 응용 분야 등에서 재료 파손 예측에 광범위하게 활용됩니다. 그러나 기존의 PD 시뮬레이션은 상당한 컴퓨팅 자원을 요구하여 대규모 연구 수행에 시간적, 자원적 한계가 있었습니다. 이에 양양(Yang Yang) 부교수와 연구팀은 엔비디아(Nvidia)의 CUDA 기술을 활용하여 알고리즘 설계와 메모리 관리를 최적화함으로써 이 문제를 해결했습니다.
연구팀이 개발한 PD-General 프레임워크는 기존의 직렬(serial) 프로그램 대비 Nvidia RTX 4070 환경에서 최대 800배의 속도 향상을 달성했으며, OpenMP 기반 병렬 프로그램보다 100배 더 빠른 성능을 입증했습니다. 수백만 개의 입자가 포함된 대규모 시뮬레이션에서는 단 5분 만에 4,000회의 반복 단계를 완료했습니다. 특히 고규모 2D 단축 인장 문제의 경우, 단정밀도(single precision)만으로 2분 이내에 6,985만 번의 반복 처리를 성공적으로 수행했습니다.
(광고성 제목: Nvidia, AI 발전에 힘입어 경로 추적(path tracing) 성능 100만 배 향상 약속)
(광고성 제목: 중국 과학자들, 홀로그래픽 광장(holographic light fields)을 이용해 반 초 만에 작은 물체 3D 프린팅)
이러한 계산 효율성의 향상은 연구자들이 더 이상 값비싼 고성능 컴퓨팅(HPC) 클러스터에만 의존하지 않고, 일반 소비자가 사용하는 수준의 GPU만으로도 시뮬레이션을 수행할 수 있음을 의미합니다. 이는 정밀한 재료 분석이 필수적인 산업 전반에 걸쳐 광범위한 파급효과를 지닙니다. 주요 적용 분야는 다음과 같습니다:
- 항공우주 및 국방: 항공기 구조물의 재료 응력 및 파손 모델링 정밀도 향상.
- 공학 및 제조: 건설 및 산업용 재료에 대한 효율적인 테스트 방법 구축.
- 군사 연구: 국방 시스템에 사용되는 충격 저항성 재료의 신속한 개발.
나아가, 널리 보급된 GPU만으로 고성능 시뮬레이션이 가능해지면서, 연구는 제한적인 해외 첨단 기술(High-End Computing Hardware)에 대한 의존도를 낮추게 되었습니다. 지속적인 무역 제한과 제재가 존재하는 현 상황에서, 이번 연구 성과는 중국과 러시아가 서방 국가의 최첨단 컴퓨팅 하드웨어에 의존하지 않고도 연구를 진전시킬 수 있는 중요한 발판을 마련했습니다.
결론적으로, 이번 개발은 계산 역학(computational mechanics) 분야에서 중대한 진전을 이룬 것으로, 재료 과학, 공학 및 국방 응용 분야에서 더욱 빠르고 접근성이 높은 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 본 연구는 2025년 1월 8일 자 *중국 계산 역학 저널(Chinese Journal of Computational Mechanics)*에 게재되었으며, 연구팀은 이러한 최적화 기술이 페리다이나믹스 영역을 넘어 다른 과학적 계산 분야의 GPU 성능 향상으로까지 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.