2021년 상위 12개 슈퍼컴퓨터: 순위 및 성능 인사이트

슈퍼컴퓨터의 필요성

우리 대부분에게 컴퓨터는 8K 영상이나 최신 파크라이(Far Cry)를 60fps로 구동할 수 있으면 충분히 빠릅니다. 하지만 수십억 회의 연산이 필요한 복잡한 작업들이 많습니다 — i9 프로세서 탑재 데스크톱으로는 할 수 없는 일들입니다.

이때 슈퍼컴퓨터가 빛을 발합니다. 정부와 조직이 일반 컴퓨터로는 불가능한 문제를 해결할 수 있게 하는 높은 수준의 성능을 제공합니다.

오늘날 슈퍼컴퓨터는 AI(인공지능) 워크로드를 염두에 두고 제작됩니다. 날씨 예보, 기후 연구, 물리 시뮬레이션, 석유·가스 탐사 외에도, 과학자들이 더 탄력적인 건축 자재를 발견하고 인간 단백질과 세포 시스템을 극도로 세밀하게 연구하는 데 도움을 줍니다.

보통 슈퍼컴퓨터 성능은 초당 부동소수점 연산 횟수(FLOPS)로 측정됩니다. 과학 계산 분야에서 FLOPS는 초당 명령어 수 측정보다 더 정확한 지표입니다.

최초의 슈퍼컴퓨터인 리버모어 원자력 연구 컴퓨터(Livermore Atomic Research Computer)가 1960년 미 해군 연구개발센터를 위해 제작되었다는 사실을 아셨나요?

그 이후 우리가 얼마나 멀리 왔는지 보여드리기 위해 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터들의 상세 목록을 정리했습니다. 모두 리눅스에서 실행되는 비분산 컴퓨터 시스템들입니다.

12. 세쿼이아(Sequoia)

속도: 17.1 페타플롭스
코어: 1,572,864

공급업체: IBM
위치: 로렌스 리버모어 국립연구소, 미국

세쿼이아는 IBM의 블루진/큐(BlueGene/Q) 서버를 사용해 이론적 피크 성능 20 페타플롭스를 제공합니다. 선대인 K 컴퓨터보다 코어가 123% 많고 에너지 효율은 37% 더 높습니다.

주로 핵무기 시뮬레이션에 사용되지만, 기후 변화와 인간 게놈 분석 등 많은 과학적 목적에도 활용 가능합니다. 인간 심장 전기생리학의 3D 시뮬레이션으로 뛰어난 확장성도 입증했습니다.

11. 팡가아 III(PANGEA III)

출처: Total S.A.

속도: 17.8 페타플롭스
코어: 291,024

공급업체: IBM
위치: 프랑스 포의 CSTJF 기술과학연구센터

팡가아 III는 IBM의 AI 최적화 고성능 아키텍처에 의존합니다. IBM과 엔비디아(NVIDIA)가 협력해 업계 유일의 CPU-GPU NVLink 연결을 구축했으며, 이는 기존 x86 기반 시스템보다 IBM 파워9(POWER9) CPU와 엔비디아 테슬라 V100 텐서 코어 GPU 간 메모리 대역폭을 5배 이상 빠르게 합니다.

이 아키텍처는 컴퓨팅 성능을 향상시킬 뿐 아니라 에너지 효율도 높입니다. 새로운 시스템은 선대 팡가아 I, II보다 페타플롭당 에너지 소비를 10% 미만으로 사용합니다.

팡가아 III는 탐사·개발 지진 영상, 개발·생산 모델, 자산 평가·선택성 등 세 분야에서 다양한 응용을 가집니다.

10. 라센(Lassen)

속도: 18.2 페타플롭스
코어: 288,288

공급업체: IBM
위치: 로렌스 리버모어 국립연구소, 미국

라센은 비분류 시뮬레이션과 분석을 위해 지정되었습니다. 시에라(#2 슈퍼컴퓨터)와 같은 연구소에, 같은 빌딩 구성요소로 설치되었습니다.

시에라가 큰 시스템이지만 라센도 자체적으로 상당한 크기입니다: 정확히 시에라의 1/6 크기입니다. 라센 시스템은 40랙에 담겨 있는 반면 시에라는 240랙을 차지합니다.

IBM 파워9 프로세서와 253테라바이트 메인 메모리로 라센은 23 페타플롭스의 피크 성능을 달성합니다.

9. 수퍼뮤크-NG(SuperMUC-NG)

속도: 19.4 페타플롭스
코어: 305,856

공급업체: 레노버(Lenovo)
위치: 라이프니츠 슈퍼컴퓨팅 센터, 독일

수퍼뮤크-NG는 700테라바이트 이상의 메인 메모리와 70페타바이트 디스크 스토리지를 갖춘 6,400개 레노버 씽크시스템(ThinkSystem) SD650 직수냉각 컴퓨팅 노드를 탑재합니다.

대형 4K 입체 파워월과 5면 CAVE 인공 가상현실 환경을 포함한 강력한 시각화 시스템과 연결됩니다.

게놈 분석, 유체 역학, 양자 색역학, 생명과학, 의학, 천체물리학 등 다양한 분야의 유럽 과학자들을 지원합니다.

8. AI 브리징 클라우드 인프라스트럭처(AI Bridging Cloud Infrastructure)

출처: ABCI

속도: 19.8 페타플롭스
코어: 391,680

공급업체: 후지쯔(Fujitsu)
위치: 국립산업과학기술연구소, 일본

이것은 32.577 페타플롭스의 피크 성능을 제공하는 세계 최초의 대규모 개방형 AI 컴퓨팅 인프라입니다. 총 1,088개 노드를 가지며, 각 노드에는 2개 인텔 제온 골드 스케일러블 프로세서, 4개 엔비디아 테슬라 V100 GPU, 2개 인피니밴드 EDR HCA, 1개 NVMe SSD가 포함됩니다.

후지쯔는 기존 데이터센터보다 20배 높은 열밀도를 달성하고, 온수와 공랭을 사용해 70kW 랙의 냉각 용량을 달성할 수 있다고 주장합니다.

7. 트리니티(Trinity)

속도: 21.2 페타플롭스
코어: 979,072

공급업체: 크레이(Cray)
위치: 로스알라모스 국립연구소, 미국

트리니티는 NNSA 핵안보 기업에 비상한 계산 능력을 제공하기 위해 구축되었습니다. 핵무기 시뮬레이션 코드의 기하학적·물리적 충실도를 높이면서 핵무기 비축이 안전하고 확실하며 효과적이도록 보장하는 것을 목표로 합니다.

슈퍼컴퓨터는 두 단계로 개발되었습니다: 1단계는 인텔 제온 하스웰(Haswell) 프로세서를, 2단계는 인텔 제온 파이 나이츠 랜딩(Knights Landing) 프로세서로 대폭적인 성능 향상을 포함했습니다. 총 41 페타플롭스 이상의 피크 성능을 제공할 수 있습니다.

6. 피츠 다인트(Piz Daint)

속도: 21.2 페타플롭스
코어: 387,872

공급업체: 크레이(Cray)
위치: 스위스 국립슈퍼컴퓨팅 센터, 스위스

스위스 알프스의 피츠 다인트 산에서 이름을 딴 이 슈퍼컴퓨터는 인텔 제온 E5-26xx 마이크로프로세서와 엔비디아 테슬라 P100으로 구동됩니다.

피츠 다인트는 데이터워프(DataWarp)의 '버스트 버퍼 모드'를 활용해 스토리지 장치와의 유효 대역폭을 늘립니다. 이는 데이터 입출력 속도를 가속화해 수백만 개의 작은 비정형 파일 분석을 용이하게 합니다.

일상 업무 외에도 세계에서 가장 데이터 집약적인 프로젝트 중 일부, 예를 들어 대형 강입자 충돌기(LHC) 실험에서 수집된 데이터 분석을 처리할 수 있습니다.

참고: 입자 가속기란 무엇인가?

5. 프론테라(Frontera)

프론테라 서버 두 열 사이 뷰 | 출처: TACC

속도: 23.5 페타플롭스
코어: 448,448

공급업체: 델 EMC(Dell EMC)
위치: 텍사스 첨단컴퓨팅센터, 미국

프론테라는 광범위한 계산 리소스를 제공해 과학자들이 다양한 영역의 복잡한 과제를 더 쉽게 해결할 수 있게 함으로써 공학과 연구에 새로운 가능성을 엽니다.

프론테라는 두 개의 컴퓨팅 서브시스템을 가집니다: 첫 번째는 배정밀도 성능에, 두 번째는 단정밀도 스트림-메모리 컴퓨팅에 초점을 맞춥니다. 또한 클라우드 인터페이스와 가상 서버 호스팅을 위한 여러 애플리케이션 노드도 있습니다.

4. 텐허-2A(Tianhe-2A)

광저우 국립슈퍼컴퓨터센터의 텐허-2

속도: 61.4 페타플롭스
코어: 4,981,760

공급업체: NUDT
위치: 광저우 국립슈퍼컴퓨팅 센터, 중국

16,000개 이상의 컴퓨터 노드로, 텐허-2A는 인텔 아이비브리지(Ivy Bridge)와 제온 파이(Xeon Phi) 프로세서의 세계 최대 설치 사례를 나타냅니다. 각 노드에 88기가바이트 메모리가 있으며, 총 메모리(CPU+코프로세서)는 1,375테비바이트입니다.

중국은 이 슈퍼컴퓨터 구축에 24억 위안(약 3억 9천만 달러)을 지출했습니다. 현재 주로 시뮬레이션, 분석, 정부 보안 애플리케이션에 사용됩니다.

3. 선웨이 타이후라이트(Sunway TaihuLight)

속도: 93 페타플롭스
코어: 10,649,600

공급업체: NRCPC
위치: 우시 국립슈퍼컴퓨팅 센터, 중국

타이후라이트의 컴퓨팅 파워는 자체 개발한 다중코어 SW26010 CPU에서 나옵니다. 이 CPU는 컴퓨팅 처리 요소와 관리 처리 요소를 모두 포함합니다.

단일 SW26010은 260개 처리 요소(하나의 CPU에 통합) 덕분에 3테라플롭스 이상의 피크 성능을 제공합니다. 각 컴퓨팅 처리 요소는 사용자 제어 캐시 역할을 하는 스크래치패드 메모리를 가지며, 대부분의 애플리케이션에서 메모리 병목을 크게 줄입니다.

생명과학과 제약 연구 외에도, 타이후라이트는 10조 디지털 입자로 우주를 시뮬레이션하는 데 사용되었습니다. 하지만 중국은 더 많은 것을 달성하려 합니다: 2030년까지 AI 리더가 되겠다는 목표를 이미 천명했습니다.

2. 시에라(Sierra)

이미지 출처: Wikimedia

속도: 94.6 페타플롭스
코어: 1,572,480

공급업체: IBM
위치: 로렌스 리버모어 국립연구소, 미국

시에라는 선대 세쿼이아보다 6배 지속 성능과 7배 워크로드 성능을 제공합니다. 두 종류의 프로세서 칩을 결합합니다: IBM 파워9 프로세서와 엔비디아 볼타(Volta) GPU.

시에라는 핵무기 시스템 성능 평가를 위해 특별히 설계되었습니다. 핵무기 비축 관리의 미국 프로그램인 비축 관리의 예측 애플리케이션에 사용됩니다. 핵실험 없이 핵무기의 신뢰성 테스트와 유지보수를 위한 프로그램입니다.

참고: 텐서 처리 장치(TPU)란? GPU와 어떻게 다른가?

1. 서밋(Summit)

이미지 출처: ORNL

속도: 148.6 페타플롭스
코어: 2,414,592

공급업체: IBM
위치: 오크리지 국립연구소, 미국

서밋은 피크에서 200 페타플롭스를 제공할 수 있습니다. 이는 초당 200경(quadrillion) 부동소수점 연산에 해당합니다.

세계에서 세 번째로 에너지 효율적인 슈퍼컴퓨터이기도 하며, 기록된 전력 효율은 14.66 기가플롭스/와트입니다.

서밋의 4,600대 이상 서버(농구장 2개 크기)에는 9,200개 이상의 IBM 파워9 프로세서와 27,600개 이상의 엔비디아 테슬라 V100 GPU가 들어 있습니다. 시스템은 185마일의 광케이블로 연결되며, 8,100 가구에 전력을 공급할 만큼의 전력을 소비합니다.

2018년 서밋은 엑사스케일 장벽을 깬 최초의 슈퍼컴퓨터가 되었습니다. 게놈 데이터 분석 중 1.88 엑사옵스(exaops)의 피크 처리량을 달성했는데, 이는 초당 거의 20억 번의 계산에 가깝습니다.

미국은 내년까지 과학 연구를 위한 완전한 기능을 갖춘 엑사스케일 컴퓨팅 생태계 개발을 목표로 하고 있으며, 서밋은 그 발걸음입니다.

1. 후가쿠(Fugaku)

속도: 442 페타플롭스
코어: 7,630,848

공급업체: 후지쯔(Fujitsu)
위치: 이화학연구소 계산과학연구센터, 일본

이론적 피크 성능 537 페타플롭스로, 후가쿠는 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터입니다. ARM 프로세서로 구동되는 최초의 1위 슈퍼컴퓨터이기도 합니다.

HPCG 벤치마크 기준, 후가쿠의 성능은 세계 차상위 4개 슈퍼컴퓨터의 성능을 합친 것을 능가합니다.

일본 정부에 큰 성과지만, 그런 강력한 시스템 설계는 저렴하지 않았습니다. 2014년부터 정부가 프로젝트 R&D, 인수, 애플리케이션 개발에 약 10억 달러를 지출했습니다.

후가쿠는 리눅스와 '경량 멀티커널 OS'인 IHK/McKernel 두 운영체제를 나란히 실행합니다. 리눅스는 POSIX 호환 서비스를 처리하고, McKernel은 고성능 시뮬레이션을 실행합니다.

날씨 예보, 청정에너지 개발, 신약 발견, 맞춤형 의료, 양자역학 법칙 탐구 등 우선순위가 높은 사회적·과학적 문제 해결을 위해 설계되었습니다.

참고: 양자 컴퓨터에 관한 가장 흥미로운 사실 18가지

자주 묻는 질문

슈퍼컴퓨터는 어떤 소프트웨어를 실행하나요?

거의 모든 현대 슈퍼컴퓨터는 리눅스 운영체제를 사용합니다. 주된 이유는 리눅스의 오픈소스 특성 때문입니다.

슈퍼컴퓨터는 특정 목적을 위해 설계되므로, 그 특정 요구사항에 최적화된 커스텀 OS가 필요합니다. 독점적인 클로즈드 소스 운영체제를 개발하고 유지하는 것은 훨씬 더 비싸고 시간 소모적인 과정입니다.

반면 리눅스는 무료이고 신뢰할 수 있으며 커스터마이징이 쉽습니다. 개발자는 각 슈퍼컴퓨터별로 리눅스를 구성하거나 별도 버전을 만들 수 있습니다.

참고: 리눅스 커널을 만든 남자, 리누스 토발즈

누가 슈퍼컴퓨터를 사용하나요?

슈퍼컴퓨터는 주로 과학자와 연구자들이 다양한 분야에서 계산 집약적 작업을 수행하는 데 사용합니다.

• 공기역학 연구와 날씨 예보
• 암호화 강도 테스트
• 분자 역학 시뮬레이션
• 금융 및 시장 조사
• 3D 핵실험 시뮬레이션
• 신약 발견
• 우주 연구

어느 나라가 가장 많은 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있나요?

2021년 기준, 중국이 세계 500대 슈퍼컴퓨터 중 188대를 보유하고 있습니다. 미국은 122대, 일본은 34대입니다. 상위 두 나라가 세계 최강 슈퍼컴퓨터의 62%를 차지합니다.

참고: 읽어볼 만한 컴퓨터 과학 책 13선

슈퍼컴퓨터의 미래는?

테크나비오(Technavio) 보고서에 따르면 전 세계 슈퍼컴퓨터 시장은 2021~2025년 사이 125억 달러 성장할 것이며, 예측 기간 동안 연평균 20% 성장률(CAGR)을 보일 것입니다.

인공지능, 머신러닝, 클라우드 기술의 사용 증가가 이 성장의 주된 이유입니다. 복잡한 물리, 화학, 환경 문제를 다루기 위한 고도로 정교한 모델의 필요성이 성장을 더욱 가속화할 수 있습니다.

종합적으로, 향후 정교한 애플리케이션이 증가함에 따라 슈퍼컴퓨터 수요도 그에 따라 증가할 것입니다. 정부 기관이 가장 높은 매출을 창출하는 최종 사용자가 될 것으로 예상됩니다.