중국의 새로운 돌파구인가? (or 중국의 새로운 돌파구?)
일반적으로 과학 연구를 위한 시뮬레이션은 막대한 컴퓨팅 처리량(compute throughput)을 요구하므로 슈퍼컴퓨터에서 수행됩니다. 다만, 분자의 양자 거동 시뮬레이션처럼 상호작용 상태가 기하급수적으로 증가하는 연구 유형의 경우 양자 컴퓨터가 필요하며, 때로는 작업을 현대 슈퍼컴퓨터에 적합하도록 단순화해야 합니다. VastData에 따르면, 중국의 Sunway 과학자들이 인공지능(AI) 모델과 기존 Oceanlite 슈퍼컴퓨터를 성공적으로 활용하여 실제 분자의 규모에서 복잡한 양자 화학을 모델링하는 데 성공했으며, 이는 과학적, 기술적 돌파구라는 평가입니다.
양자역학에서 양자 상태는 파동 함수($\Psi$)로 기술되며, 이는 분자 내 전자의 위치, 스핀, 에너지 준위 등 양자 시스템의 모든 가능한 배열과 그 확률을 결정합니다. 이를 모델링하기는 매우 어렵습니다. 왜냐하면 상태 공간이 입자 수에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에, 오늘날 우리가 사용하는 고전 슈퍼컴퓨터로는 시뮬레이션 자체가 불가능하기 때문입니다. 따라서 과학자들은 분자 구조, 반응, 에너지에 대한 정확도를 유지하면서 양자 방정식을 단순화하기 위해 다양한 근사 방법을 사용합니다. 그러나 파동 함수를 근사하는 기존 방법들은 확장성이 작은 분자에 한정되어 있습니다.
강한 전자 상관관계(strong electron correlations)를 갖는 다체 양자 시스템(예: 수십 개의 전자, 100개 이상의 스핀 오비탈 등)을 연구하기 위해 몇 년 전 물리학자들은 신경망 양자 상태(NNQS)와 같은 최신 머신러닝 대리 모델(surrogates)을 사용하여, 분자 내 전자의 모든 가능한 배열과 움직임을 근사하는 방식을 제안했습니다. 이 방법은 기존 방식으로는 현재 불가능한 연구에 AI의 확장성과 양자 정확도를 결합할 수 있다는 장점을 가집니다.
중국, 헬륨 없이 -273°C에 도달하는 새로운 초저온 합금 개발
양자 컴퓨팅의 미래 — 기술, 기업, 그리고 일관된 양자 미래를 그리는 로드맵
중국 AI 구축 열풍, 액체 냉각으로의 급속한 전환을 촉발
연구원들은 120개의 스핀 오비탈을 이용한 실험을 수행하기 위해 자체 NNQS 프레임워크를 개발했습니다. 이 시뮬레이션은 신경망을 훈련시켜 분자의 파동 함수를 근사하고, 전자가 존재할 가능성이 가장 높은 위치를 예측했습니다. 시스템은 샘플링된 전자 배열마다 국소 에너지를 계산하고, 네트워크의 예측값이 분자의 실제 양자 에너지 패턴과 일치할 때까지 네트워크를 조정했습니다.
해당 NNQS는 중국의 Oceanlite 슈퍼컴퓨터 전용으로 맞춤 제작되었으며, 384코어 Sunway SW26010-Pro CPU를 기반으로 합니다. 이 CPU는 FP16, FP32, FP64 데이터 형식을 지원하며, AI보다는 고성능 컴퓨팅(HPC)에 최적화된 독특한 아키텍처를 갖추고 있습니다. 특히, 연구진은 SW26010-Pro가 워크로드를 병렬화하고 데이터를 처리하는 방식을 면밀히 고려해야 했습니다.
연구진은 계층적 통신 모델을 설계했습니다. 이 모델에서 관리 코어(management cores)가 프로세서와 노드 간의 조정 역할을 맡는 동안, 수백만 개의 '경량' 2와이드 컴퓨팅 처리 요소(CPEs)가 512비트 벡터 엔진을 통해 국소 양자 계산을 수행했습니다. 또한, 계산 부하가 불균형하게 분산되어 어떤 코어도 유휴 상태가 되는 것을 방지하기 위해 동적 부하 분산 알고리즘을 개발했습니다.
과학자들은 3,700만 개의 CPE 코어에서 코드를 실행하여 92%의 강한 스케일링(strong scaling)과 98%의 약한 스케일링(weak scaling)이라는 높은 효율성을 달성했습니다. 이러한 효율성은 대규모 규모에서 매우 뛰어난 성과로, 개발진이 소프트웨어와 하드웨어 간에 거의 완벽한 동기화(synchronization)를 구현했음을 보여주며 중국 슈퍼컴퓨터 커뮤니티에 중요한 업적입니다. 아울러, 현재까지 120개 스핀 오비탈을 가진 분자 시스템의 시뮬레이션은 고전 슈퍼컴퓨터에서 수행된 최대 규모의 AI 기반 양자 화학 계산 사례이며, 이는 중국(PRC)의 AI 및 양자 산업에 있어 획기적인 발전입니다.
이 성과는 NNQS가 현대 슈퍼컴퓨터에서 양자 물리학 연구에 활용될 수 있음을 의심할 여지 없이 입증합니다. 다만, 전력 및 노력 측면에서 Oceanlite와 같은 엑사스케일(exascale) 슈퍼컴퓨터를 AI 기반 양자 물리학 연구에 활용하는 것이 효율적인지 여부는 아직 명확하게 밝혀진 바 없습니다.
최신 뉴스, 분석 및 리뷰를 피드에서 받아보시려면 Tom's Hardware를 구글 뉴스에서 팔로우하거나 즐겨찾기 소스로 추가해 주십시오.