AI, 양자 컴퓨팅, 클래식 컴퓨팅이 슈퍼컴퓨터를 어떻게 변화시키고 있는가

(댄 트리) - "슈퍼컴퓨터와 과학 소프트웨어의 아버지"로 알려진 잭 돈가라가 고성능 컴퓨팅의 밝은 미래를 제시했습니다.

2021년 튜링상(컴퓨팅계의 노벨상이라고도 함) 수상자이자 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터를 순위를 매기는 Top 500 목록의 창립자 중 한 명인 돈가라의 슈퍼컴퓨팅의 미래에 대한 견해는 과학계 와 업계 전반에 중요한 지침이 됩니다.

하이브리드 컴퓨터 - 미래를 위한 솔루션

Dongarra에 따르면 차세대 슈퍼컴퓨터는 단순히 전통적인 하드웨어 업그레이드가 아니라, 양자 기술과 인공지능(AI)을 갖춘 고전적인 컴퓨팅 시스템의 영리한 조합이 될 것입니다.

이는 트랜지스터의 소형화가 물리적 장벽에 거의 도달한 현재 무어의 법칙의 한계를 극복하기 위한 결정적인 단계로 여겨진다.

돈가라는 슈퍼컴퓨팅의 미래가 기존 시스템을 양자 컴퓨터로 완전히 대체하는 데 있는 것이 아니라, 두 가지를 조화롭게 결합하는 데 있다고 강조합니다.

그는 이 하이브리드 시스템을 다층 컴퓨팅 머신으로 설명하는데, 각 구성 요소는 그 특성에 가장 적합한 작업을 수행합니다.

Dongarra의 비전에서 양자 프로세서(QPU)는 복잡한 최적화 문제, 특히 새로운 약물이나 물질을 발견하기 위한 분자 시뮬레이션을 위한 "특수 가속기" 역할을 할 것입니다.

이러한 문제들은 기하급수적으로 복잡하여 오늘날 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 해결할 수 없습니다. 그러나 양자 중첩과 얽힘 효과를 활용할 수 있는 양자 컴퓨터는 이러한 문제를 훨씬 더 효율적으로 처리할 수 있습니다.

그동안 기존 CPU와 GPU는 빅데이터 처리 및 AI 알고리즘 실행 등 주요 컴퓨팅 작업을 계속 담당할 것입니다. 이러한 합리적인 작업 분담은 성능을 최적화할 뿐만 아니라 각 프로세서의 장점을 최대한 활용하는 데에도 도움이 됩니다.

돈가라의 가장 독특한 관점 중 하나는 미래 슈퍼컴퓨팅 시스템에서 AI의 역할입니다. 그는 AI를 단순히 슈퍼컴퓨터에서 실행되는 애플리케이션이 아니라, 전체 시스템을 연결하고 조율하는 "접착제"로 봅니다.

잭 돈가라는 고성능 컴퓨팅 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다(사진: 미국 에너지부).

Dongarra에 따르면, AI는 예측 모델링 기술을 사용하여 리소스를 지능적으로 할당함으로써 슈퍼컴퓨터를 실시간으로 최적화할 것입니다. 이 시스템은 기존 프로세서를 언제 사용할지, 언제 QPU로 전환할지, 그리고 최적의 효율성을 위해 어떻게 조정할지 자동으로 결정할 수 있을 것입니다.

이러한 비전은 많은 선구적인 프로젝트를 통해 실현되고 있습니다.

반도체 대기업 엔비디아와 퀀텀 머신즈가 DGX 퀀텀 시스템을 출시했습니다. 이 시스템은 양자 컨트롤러와 AI 슈퍼칩을 단 몇 마이크로초 만에 긴밀하게 연결합니다.

이 시스템은 실시간 양자 오류 정정과 AI 기반 양자 프로세서 교정을 가능하게 하여 하이브리드 양자 고전 응용 분야에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.

글로벌 기술 경쟁의 새로운 도전

돈가라는 또한 연구 자금 부족과 중국을 비롯한 국제적 경쟁 압박 등 슈퍼컴퓨팅 산업이 직면한 과제에 대해서도 논의하는 것을 꺼리지 않았습니다.

최근 중국이 이 분야에서 이룬 성과로는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 1억 8천만 배 빠른 속도로 작업을 수행할 수 있는 지우장 양자 컴퓨터나 105큐비트를 갖춘 주총지 3.0 양자 프로세서 등이 있으며, 이러한 성과는 서방 국가들에게 경종을 울리고 있습니다.

중국의 지우장 양자 컴퓨터는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 1억 8천만 배 더 빠르게 작업을 수행할 수 있습니다(사진: 스펙트럼)

올해의 잭 돈가라 초창기 경력상은 고전 시스템과 양자 시스템을 연결하는 HPC 알고리즘 개발에 기여한 공로로 청화대학교(중국)의 린 간 박사에게 수여되었으며, 이는 이 경쟁의 글로벌한 성격을 더욱 확고히 해줍니다.

돈가라는 최근 가입한 북미인공지능(NAAI)과 같은 조직을 통해 국제 협력을 확대해 AI를 슈퍼컴퓨터에 윤리적으로 통합할 것을 촉구했습니다.

돈가라는 인적 자원 개발에 있어서도 마찬가지로 중요한 과제들을 지적합니다. AI, 양자 컴퓨팅, 그리고 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 학제 간 전문 지식을 갖춘 인재가 여전히 크게 부족하다는 것입니다.

텍사스 양자 프로그램과 같은 이니셔티브를 통해 인재 풀이 확대되고 있지만, 광범위한 준비 상태에 이르기까지는 아직 갈 길이 멉니다.

더욱이 AI, HPC, 양자 기술을 통합 워크플로우에 통합하려면 복잡한 인프라 조정이 필요하며, 이로 인해 배포 속도가 느려집니다. 이러한 하이브리드 시스템은 여러 방향에서 공격받을 수 있기 때문에 사이버 보안 문제도 더욱 복잡해집니다.

획기적인 응용 프로그램을 기다리고 있습니다

하이브리드 슈퍼컴퓨팅 시스템의 잠재력은 단순히 이론적인 차원을 넘어섭니다. 신약 개발 부터 기후 모델링, 재무 최적화부터 첨단 소재 개발까지, 실제 적용 사례들이 빠른 속도로 개발되고 있습니다.

의학 분야에서 하이브리드 시스템은 복잡한 분자 반응을 시뮬레이션하여 새로운 제약 화합물을 보다 빠르고 정확하게 발견할 수 있습니다.

기후 변화의 경우, 고해상도로 글로벌 기후 모델을 처리하는 능력은 과학자들이 극한 기상 현상을 더 잘 예측하고 대응하는 데 도움이 될 것입니다.

금융 분야에서는 양자 최적화 알고리즘이 위험 분석과 포트폴리오 관리에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 재료 연구에서는 전례 없는 수준으로 원자 구조를 시뮬레이션하는 능력이 초전도 소재, 고에너지 배터리, 그리고 첨단 합금 개발의 길을 열어줄 수 있습니다.

이러한 비전을 실현하기 위해 돈가라는 적절한 인프라 구축의 중요성을 강조했습니다. 여기에는 첨단 하드웨어뿐만 아니라 양자 회로를 기존 컴퓨팅 리소스와 통합하는 미들웨어도 포함됩니다.

일본의 ABCI-Q 슈퍼컴퓨터(사진: Wccftech).

전 세계 슈퍼컴퓨팅 센터들이 이러한 하이브리드 인프라를 적극적으로 구축하고 있습니다. 일본의 양자 AI 비즈니스 기술 글로벌 연구개발 센터(G-QuAT)는 2,020개의 엔비디아 H100 GPU와 후지쯔의 초전도 양자 프로세서, QuEra의 중성 원자 프로세서, 그리고 OptQC의 광자 프로세서를 통합한 ABCI-Q 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있습니다.

마찬가지로 독일의 주피터 슈퍼컴퓨터, 일본의 후가쿠, 폴란드의 PSNC 등 유럽의 프로젝트들도 양자 컴퓨팅 하드웨어 통합을 시작했습니다. 덴마크가 마이크로소프트 및 아톰 컴퓨팅과 협력하여 초기 50개의 논리 큐비트를 갖춘 마그네 양자 슈퍼컴퓨터를 구축할 계획을 발표한 것 역시 이러한 세계적 추세를 반영합니다.

새로운 시대가 시작될 준비를 하세요

Dongarra는 2025~2030년에 양자-AI 하이브리드 애플리케이션이 폭발적으로 증가할 것으로 예측합니다.

초기 사용 사례로는 약물 발견을 위한 양자 생성적 적대 신경망, 양자 서브루틴을 활용한 강화 학습, 실제 물류 문제에 적용되는 양자 강화 최적화 솔버 등이 있습니다.

IBM은 양자 로드맵을 통해 올해 중요한 혁신을 이루어 양자 하드웨어 확장에 대한 가장 큰 장벽을 제거할 것으로 기대하고 있습니다.

2026년까지 IBM의 쿠카부라 칩은 4,158개의 큐비트로 구성된 시스템을 구축할 예정이며, 이는 양자 컴퓨팅 성능의 획기적인 발전을 의미합니다.

잭 돈가라가 제시하는 슈퍼컴퓨팅의 미래 비전은 단순한 과학적 예측을 넘어, 행동 촉구의 메시지이기도 합니다. 고전 컴퓨팅, 양자 컴퓨팅, 그리고 AI 컴퓨팅의 결합은 전례 없는 컴퓨팅 역량을 창출하여 인류가 직면한 가장 큰 과제를 해결할 수 있는 기회를 열어줄 것입니다.

잭 돈가라가 말했듯이, 우리는 가능한 것과 불가능한 것의 경계가 완전히 재정의되는 새로운 컴퓨팅 시대로 접어들고 있습니다. 문제는 이러한 변화가 실제로 일어날지 여부가 아니라, 우리가 이를 포착할 준비가 되어 있는지 여부입니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/cach-ai-luong-tu-va-tinh-toan-co-dien-dinh-hinh-lai-sieu-may-tinh-20250807140924177.htm