시간이 지남에 따라 진화하는 대규모 원자로 시뮬레이션을 안전한 바카라 사이트에서 실시간으로 시각화
―시각화 소프트웨어 "In-Situ PBVR"은 시각화 처리 속도를 약 100배 높입니다―

[요약]

바카라 커뮤니티(사장: 고다마 도시오, 이하 ``JAEA'') 시스템 및 전산 과학 센터의 가와무라 다쿠마 연구원과 이도무라 야스히로 연구 소장이 독자적인 In-Situ(라틴어: in-situ) 개발에 성공하여 온도가 변화하는 대규모 원자로 시뮬레이션의 실시간 시각화를 세계 최초로 실현했습니다 슈퍼컴퓨터에서는 흐름장이 시간에 따라(시간 진화에 따라) 변합니다

안전한 바카라 사이트를 최대한 활용하면 복잡하고 대규모의 시뮬레이션이 가능하지만, 시뮬레이션 결과를 이해하기 위해서는 계산된 데이터를 시각화하는 것이 필요합니다 그러나 안전한 바카라 사이트의 성능이 향상되고 시뮬레이션의 규모가 커지면서 계산 데이터(~페타바이트, 10¹⁵바이트)를 스토리지에 출력한 후 시각화하는 기존 방식으로는 처리 시간이 며칠 이상 늘어나 시각화 처리가 어려워졌습니다

이 연구에서는 시뮬레이션과 동시에 안전한 바카라 사이트에서 시각화 처리를 수행하고 시각화 데이터를 압축했습니다(~MB, 10⁶바이트)를 출력하는 In-Situ 시각화 소프트웨어 "In-Situ PBVR"을 개발했습니다 "In-Situ PBVR"은 입자(입자 기반 볼륨 렌더링^1）)을 사용하면 시각화 프로세스가 기존 방법보다 약 100배 더 빨라졌습니다 또한 압축된 시각화 데이터를 사용하여 전송되는 데이터 양을 기존 방법의 약 10억분의 1로 줄임으로써 시간이 지남에 따라 진화하는 대규모 원자로 시뮬레이션을 안전한 바카라 사이트에서 실시간 시각화하는 것을 실현했습니다 또한, 시뮬레이션 실행 시 시각화 결과를 보면서 시각화 매개변수(시점, 색상, 불투명도 등)를 대화형으로 조작할 수 있고, 이전에는 볼 수 없었던 3D 시각화, 등면 시각화, 단면 시각화 등 다양한 시각화 방법을 활용해 계산 도중에도 시뮬레이션 분석이 가능해졌습니다

첨단 안전한 바카라 사이트에서 실행되는 대규모 열유체 시뮬레이션에 In-Situ PBVR을 적용한 결과, 시뮬레이션 계산 비용의 1% 미만으로 시각화 처리가 수행되었으며, 일반적으로 시뮬레이션 완료 후 며칠이 걸리던 계산 데이터의 시각화 처리가 시뮬레이션이 실행되는 동안 실시간으로 수행될 수 있었습니다

이 소프트웨어는 오픈 소스 소프트웨어로 출시될 예정이며 향후 출시될 예정입니다후가쿠^2）다음을 포함하여 다양한 과학 및 엔지니어링 분야가 최첨단 안전한 바카라 사이트에서 실행됩니다엑사스케일 시뮬레이션^3）에서 활용될 것으로 예상됩니다

이 연구 결과는 "Journal of Visualization"에 2020년 6월 10일 게재되었습니다

[연구 배경]

원자력 분야를 포함한 다양한 과학 및 공학 분야의 복잡하고 대규모 시뮬레이션 결과를 이해하려면 계산된 데이터에 컴퓨터 그래픽을 사용하여 색상과 모양(불투명도)을 부여하여 시각화하는 것이 필요합니다 시각화를 사용하면 계산 결과의 개요를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 시각화 결과를 보면서 시각화 매개변수(시점, 색상, 불투명도 등)를 대화형으로 변경하여 물리량의 전역 분포 및 여러 물리량 간의 상관 관계와 같은 방대한 양의 데이터에 숨겨진 정보를 탐색할 수 있습니다 이처럼 시각화 기술은 전산과학의 기초가 됩니다

가장 발전된 시뮬레이션은 안전한 바카라 사이트를 사용하여 수행됩니다 안전한 바카라 사이트는 다수의 컴퓨팅 장치를 결합하고 병렬 처리를 수행하여 높은 컴퓨팅 성능을 달성합니다 그림 2에서 보는 바와 같이, 기존의 후처리 시각화에서는 안전한 바카라 사이트에서 시뮬레이션을 통해 얻은 계산된 데이터를 스토리지로 출력하고, 시뮬레이션이 완료된 후 스토리지의 계산된 데이터를 사용자 PC로 전송하여 시각화 처리한다 그러나 최근 안전한 바카라 사이트 성능이 비약적으로 향상되면서 연산 데이터(최대 페타바이트)가 폭발적으로 증가하는 반면, 데이터 입출력 성능과 스토리지로의 데이터 전송 성능이 이를 따라잡지 못해 연산 데이터의 시각화가 어려워지고 있다 이러한 문제를 해결하기 위해, In-Situ 시각화 소프트웨어를 이용하여 안전한 바카라 사이트에서 시뮬레이션과 동시에 병렬 시각화 처리를 수행하고, 대용량 계산 데이터 대신 압축된 시각화 데이터(~메가바이트: 계산 데이터의 약 10억분의 1)를 출력하는 방식이 주목받고 있습니다

그러나 기존 In-Situ 시각화 소프트웨어에는 다음과 같은 두 가지 문제가 있었습니다

첫째, 다각형을 그리는 기존의 시각화 방법에서는 병렬로 처리되는 다각형을 올바른 순서로 그려서 시점이 바뀔 때마다 수많은 컴퓨팅 장치 간에 통신이 이루어집니다 이 통신 시간은 종종 시뮬레이션 계산 시간을 초과하여 시뮬레이션을 방해합니다

둘째, 기존의 현장 시각화 소프트웨어에서는 시뮬레이션을 시작하기 전에 시각화 매개변수를 설정해야 합니다 따라서 시각화 매개변수를 조정하기 위해 많은 시뮬레이션을 반복해야 하며, 특히 많은 계산 비용이 필요한 대규모 시뮬레이션의 현장 시각화를 수행하기가 어렵습니다

[연구 내용/결과]

이러한 문제를 해결하기 위해 입자를 이용한 시각화 방법(입자 기반 볼륨 렌더링^１）, 약어로 PBVR)이라는 방법을 사용하여 새로운 In-Situ 시각화 소프트웨어 "In-Situ PBVR"을 개발했습니다(그림 1) PBVR은 시각화를 위해 계산된 데이터를 입자 데이터로 변환하고 그리는 방법이다(그림 3) 안전한 바카라 사이트에서 병렬로 처리되는 기존 시각화 방법의 대규모 다각형 데이터 그리기와 달리, PBVR의 압축된 입자 데이터 그리기는 PC의 이미지 처리 프로세서에 의해 한꺼번에 처리될 수 있으므로 컴퓨팅 장치 간의 재정렬이나 통신이 필요하지 않습니다 이 기능을 활용하여 시뮬레이션을 방해하지 않는 안전한 바카라 사이트에서 고속 병렬 입자 계산을 달성했습니다 또한, 시각화된 이미지를 표시하는 사용자 PC와 시뮬레이션을 실행하는 안전한 바카라 사이트가 함께 작동하여 시뮬레이션 실행 중 스토리지를 통해 시각화 매개변수를 조작하는 시스템을 구축하여 사용자가 시각화 결과를 보면서 색상과 불투명도를 변경하여 시각화 매개변수를 대화형으로 조정할 수 있는 현장 시각화를 구현했습니다

현재 "In-Situ PBVR"의 처리 성능을 표준으로 사용하는 In-Situ 시각화 소프트웨어 "ParaView 촉매^4）'' In-Situ PBVR은 소규모 테스트 데이터의 경우 약 24배 더 빠르게, 대규모 열유체 분석의 경우 약 100배 더 빠른 In-Situ 시각화를 달성할 수 있었습니다

바카라 커뮤니티에서 "In-Situ PBVR"을 개발 중입니다코어 용해 동작^5）대규모 열유체 시뮬레이션과 결합된 최첨단 안전한 바카라 사이트(그림 4)오크포레스트-PACS^6）의 처리 성능을 조사했습니다

그림 5의 성능 평가에서 볼 수 있듯이 "In-Situ PBVR"은 컴퓨팅 유닛 수를 약 1,500개에서 약 100,000개로 늘려도 계속 가속되었으며, 처리 시간은 시뮬레이션 시간의 1% 미만으로 유지되었습니다 또한, 메모리 사용량을 시뮬레이션의 약 4%로 줄여 시뮬레이션을 방해하지 않는 저비용, 메모리 절약형 병렬 시각화 처리를 수행할 수 있습니다

입자 데이터는 인터넷을 통해 Oakforest-PACS에서 사용자의 PC로 전송되며, 사용자가 시각화 결과를 보면서 적절한 시각화 방법과 시각화 매개변수를 선택할 수 있는 대화형 현장 시각화가 수행됩니다 이로써 'In-Situ PBVR'은 'ParaView Catalyst'를 비롯한 기존 현장 시각화 소프트웨어로는 불가능했던 대규모 시뮬레이션의 대화형 현장 시각화를 안전한 바카라 사이트에서 세계 최초로 구현한 것이다

[향후 개발 및 파급효과]

새롭게 개발된 "In-Situ PBVR"은 원자력 분야뿐만 아니라 유체 분석, 해양/기상, 플라즈마 물리학 등 전 세계에서 개발되고 있는 다양한 대규모 시뮬레이션에도 적용할 수 있는 범용 In-Situ 시각화 소프트웨어입니다 In-Situ PBVR은 시스템컴퓨팅사이언스센터 홈페이지에 공개된 오픈소스 시각화 라이브러리로, 대규모 시뮬레이션에 사용되는 주요 프로그래밍 언어를 지원한다 또한 복잡한 시뮬레이션을 통해 얻은 수많은 물리적 변수를 시각화할 수 있는 고급 시각화 및 분석 기능을 제공합니다 앞으로는 'In-Situ PBVR'이 후가쿠(Fugaku) ​​등 첨단 안전한 바카라 사이트의 엑사스케일 시뮬레이션에 활용될 것으로 기대된다

[도서 정보]

잡지 이름: Journal of Visualization

논문 제목: SIMD 인식 함수 파서 및 비동기 데이터 I/O를 사용한 대화형 원격 현장 시각화 개선

저자: 카와무라 타쿠마¹, 이도무라 야스히로¹

소속:¹바카라 커뮤니티

DOI:101007/s12650-020-00652-z

 

[용어 설명]

1) 입자 기반 볼륨 렌더링

교토 대학에서 개발한 3차원 수치 데이터(볼륨 데이터)의 시각화 방법 중 하나입니다 데이터의 수치, 불투명도, 색상의 관계를 정의하는 함수를 기반으로 데이터를 무작위로 추출(몬테카를로 샘플링)하여 입자 집합을 생성하고 이를 이미지 평면에 투영하여 반투명한 3차원 시각화 이미지를 생성합니다

2) 후가쿠

세계 최대의 CPU 기반 안전한 바카라 사이트(2020년 6월 기준)는 K 컴퓨터의 후속 제품으로 2014년부터 RIKEN에서 개발 중입니다 후지쯔 A64FX 프로세서를 탑재해 513페타플롭스의 연산 성능을 자랑한다 2021년 가동 예정

3) 엑사스케일 시뮬레이션

8948_8967¹⁵times 부동 소수점 연산¹⁸배 부동 소수점 연산)의 계산 성능이 필요한 차세대 대규모 시뮬레이션입니다

4) ParaView 촉매

미국 Sandia National Laboratories, Kitware 등이 주로 개발한 오픈 소스 범용 시각화 애플리케이션인 ParaView의 In-Situ 시각화 프레임워크입니다

5) 코어 용해 동작

원자력 발전소에서 심각한 사고가 발생하면 냉각수 및 용융물의 손실로 인해 핵연료와 주변 구조물이 뜨거워지고, 용융된 혼합물이 원자로 격납 용기 내부에 떨어져 축적됩니다

6) 오크포레스트-PACS

츠쿠바 대학과 도쿄 대학이 공동으로 운영하는 JCAHPC(첨단 고성능 컴퓨팅 공동 센터)에 2016년에 설치된 CPU형 안전한 바카라 사이트입니다 인텔의 XeonPhi7250 프로세서를 탑재해 25페타플롭스의 컴퓨팅 성능을 갖췄다