고성능 컴퓨팅(HPC)과 양자 컴퓨팅이 융합됨에 따라 전 세계 연구 기관들은 현재의 컴퓨팅 한계를 뛰어넘는 문제들을 해결하기 위해 하이브리드 플랫폼을 구축하고 있습니다. 일본에서는  리켄 계산과학센터(R-CCS)가 2025년 완공 예정인 " JHPC-quantum " 프로젝트  의 시스템 구성을 완료하여 이러한 변화를 선도하고 있습니다.

이기종 컴퓨팅과 새롭게 부상하는 양자-고전 시뮬레이션 접근 방식이 주도하는 새로운 시대가 전 세계 과학 연구에 도래하고 있습니다. AI 모델의 규모와 과학 시뮬레이션의 복잡성이 지속적으로 증가함에 따라, 단일 아키텍처 컴퓨팅 프레임워크로는 미래 연구 수요를 충족하기에 점점 더 부족해지고 있습니다. 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야의 세계적인 선두 주자인 일본은 후가쿠(Fugaku)를 통해 이 분야를 선도해 왔으며, 이제 양자-HPC 하이브리드 플랫폼 개발을 가속화하고 있습니다.

이 하이브리드 플랫폼은 다음과 같은 여러 슈퍼컴퓨터와 양자 컴퓨터를 통합합니다.

• 후가쿠
• IBM 퀀텀 시스템 2 "ibm_kobe"
• 이온트랩 양자컴퓨터 '레이메이'

이러한 시스템들은 고속 네트워크와 통합 소프트웨어 프레임워크를 통해 연결되어 양자 알고리즘 시뮬레이션, 통합 애플리케이션 개발, 하이브리드 컴퓨팅 실험을 지원할 수 있는 최초의 통합 연구 환경 중 하나를 구축할 것입니다. 이 컴퓨팅 허브는 리켄 고베 캠퍼스에 설립될 예정이며, 2025 회계연도 내에 공식적으로 가동될 계획입니다.

양자 컴퓨팅과 기존 컴퓨팅을 연결하는 이 국가 규모의 계획에서 기가 컴퓨팅은 NVIDIA의 최신 세대 그레이스 블랙웰 슈퍼칩(GB200 NVL4)을 탑재한 135개의 컴퓨팅 노드(총 540개의 GPU)를 설계 및 제조하는 임무를 맡았습니다.

그레이스(Grace) CPU와 블랙웰(Blackwell) GPU를 결합한 이 플래그십 AI 컴퓨팅 아키텍처는 대규모 언어 모델 학습, 물리 시뮬레이션 및 하이브리드 양자 알고리즘 최적화를 위해 특별히 설계되었습니다. 성능을 극대화하고 장기적인 시스템 안정성을 보장하기 위해 이 프로젝트는 세 가지 주요 기술적 과제를 해결했습니다.

✔️ 극한의 전력 밀도 조건에서도 우수한 열 관리 및 신뢰성 제공

각 GB200 NVL4 노드는 매우 높은 전력 수준에서 작동하므로 기존의 공랭 방식으로는 이러한 열 밀도를 효과적으로 제어할 수 없습니다. 기가 컴퓨팅의 설계는 32°C 이상의 시설 온도에서도 작동 가능한 고효율 온수 냉각 아키텍처를 구현하여 GPU가 최대 전력에서도 최적의 열 효율 범위 내에 머물면서 성능과 에너지 효율을 유지할 수 있도록 합니다.

✔️ 모듈형 고밀도 설계 및 빠른 배송

계획된 일정 내에 플랫폼을 완성하기 위해 서버는 고도의 모듈식 구조와 빠른 조립 기능을 채택했습니다. 고밀도 GPU 모듈과 간소화된 서버 설계를 통해 시스템은 GPU, CPU, 네트워킹 모듈 및 액체 냉각 콜드 플레이트를 하나의 패키지로 통합하여 조립 및 테스트 시간을 단축합니다.

✔️ NVIDIA 고속 네트워킹과의 완벽한 통합

이 시스템은 NVIDIA Quantum X-800 InfiniBand 네트워킹을 채택하고 있으며, 노드 간 데이터 교환 시 안정적이고 동기화된 성능을 보장하기 위해 저지연 신호 경로에 최적화된 설계를 적용했습니다. 내장 관리 펌웨어는 고속 노드 내 상호 연결을 위한 NVIDIA NVLink를 지원합니다.

기가 컴퓨팅은 양자-고성능 컴퓨팅 하이브리드 플랫폼의 기반이 되는 이 프로젝트에 핵심적인 엔지니어링 솔루션을 제공했습니다.

데이터센터 및 슈퍼컴퓨팅 분야의 액체 냉각 경험을 바탕으로, 연구팀은 RIKEN의 요구 사항을 충족하는 고신뢰성 온수 냉각 모듈을 구현했으며, 그 특징은 다음과 같습니다.

• 고열유속 냉각판: 1,000W 이상의 열 부하를 견딜 수 있도록 GB200 NVL4 칩용으로 설계되었습니다.
• 유지보수 용이한 설계: 빠른 분리 및 누액 방지 커넥터로 신속한 교체가 가능하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
• 에너지 회수 가능성: 냉각수 출구 온도는 최대 45°C에 달할 수 있어 건물 난방에 재사용하거나 열 회수 시스템과 통합할 수 있습니다.

이 솔루션은 RIKEN의 에너지 절약 정책에 부합하며 지속 가능한 운영을 지원합니다.

고밀도 설치 및 고속 서버 간 연결을 지원하기 위해 이 플랫폼은 랙 레벨 설계 방식을 채택했습니다. 통합 시스템 접근 방식을 통해 향후 확장 및 유지 관리가 용이합니다. 각 랙에는 다음이 통합됩니다.

• GB200 NVL4 기반 서버
• 인피니밴드 스위치
• 냉각수 분배 장치(CDU) 모듈
• 전력 관리 및 모니터링 시스템

이 랙 레벨 설계는 리켄의 고베 컴퓨팅 센터에 신속하게 구축할 수 있도록 하며, 후가쿠 및 양자 시스템과의 원활한 연결을 가능하게 합니다.

이 시스템은 FP64에서 21 PFLOPS, FP8에서 5 EFLOPS를 초과하는 세계 최고 수준의 컴퓨팅 성능을 제공합니다. 정밀한 열 관리 및 전력 분배를 통해 일반적인 에너지 효율 기준치를 15% 이상 뛰어넘는 동시에 냉각 인프라에 대한 의존도를 줄이는 것을 목표로 설계되었습니다.

궁극적인 목표는 컴퓨팅 성능과 에너지 효율성의 균형을 유지하면서 책임감 있게 혁신과 성능을 이끌어내는 것입니다.

이 프로젝트의 성공은 조직 간 협력에 달려 있습니다. ScaleWorX는 시스템 통합을 담당하고, DTS Corporation은 프로젝트 계획 및 테스트를 감독하며, NVIDIA는 Grace Blackwell 아키텍처와 InfiniBand를 제공하고, DDN은 고성능 파일 시스템을 공급하며, Giga Computing은 컴퓨팅 노드를 설계 및 제조합니다.

이번 다학제적 국제 협력은 HPC 생태계 통합이라는 광범위한 추세를 강조하고, 전문 지식 공유가 복잡한 플랫폼 제공을 어떻게 가속화하는지 더욱 분명히 보여줍니다.

"일본 최고의 과학 연구 기관들과 협력하게 되어 영광입니다. 기가 컴퓨팅 테크놀로지의 고성능 시스템 설계 및 제조 분야에서 축적된 풍부한 경험과 NVIDIA와의 긴밀한 협력을 바탕으로, 일본의 세계적 수준 연구 성과를 가속화할 수 있기를 기대합니다."라고 기가 컴퓨팅 테크놀로지의 아시아 태평양 사업 이사인 프레야 유는 밝혔습니다.

이 양자-고성능 컴퓨팅(HPC) 하이브리드 플랫폼은 단순한 슈퍼컴퓨터가 아니라 양자 컴퓨팅과 고전 컴퓨팅을 연결하는 실험 환경입니다. 양자 컴퓨터와 HPC 시스템을 연결하고 데이터 교환을 관리하며 작업 스케줄링을 담당하는 JHPC-quantum 이니셔티브의 API인 SQC 인터페이스를 통해 이 플랫폼은 후가쿠(Fugaku), "ibm_kobe", "레이메이(Reimei)"와 함께 운영되어 연구자들이 다음과 같은 통합 환경을 활용할 수 있도록 합니다.

• 양자 알고리즘 시뮬레이션
• 하이브리드 AI/양자 머신러닝 훈련
• 재료과학 및 분자 동역학

이를 통해 에너지 개발, 신약 개발, 금융 시뮬레이션 및 기초 물리학 연구에서 획기적인 발전을 이룰 수 있습니다.

컴퓨팅 계층은 이러한 워크로드에 필요한 처리 능력을 제공하며, 기존의 고성능 컴퓨팅(HPC)과 양자 시뮬레이션을 하나의 시스템에서 어떻게 조화롭게 구현할 수 있는지 보여줌으로써 컴퓨팅 연구에 새로운 가능성을 열어줍니다.

리켄의 양자-고성능 컴퓨팅 하이브리드 플랫폼 구축에 참여하는 것은 양자 컴퓨팅과 고전 컴퓨팅을 대규모로 결합하는 데 있어 중요한 이정표입니다.

양자 컴퓨팅과 고성능 컴퓨팅(HPC)의 융합이 계속해서 성숙해짐에 따라, 업계 협력자들의 역할은 연구자들이 신뢰할 수 있는 시스템과 지속 가능한 설계를 통해 실질적인 과학적 성과를 낼 수 있도록 지원하는 것입니다.

범주	주요 특징
컴퓨팅 노드	135개 노드, 540개 GPU(NVIDIA GB200 NVL4)
네트워킹	NVIDIA InfiniBand XDR, 3.2Tbps 대역폭
액체 냉각	온수 냉각 시스템 (온수 냉각, >40°C)
성능	FP64: 21+ PFLOPS / FP8: 5+ EFLOPS
시스템 통합	후가쿠, ibm_kobe, 레이메이와 연결되어 있습니다.
선도적인 조직	리켄 전산과학센터
기가 컴퓨팅 역할	GPU 노드 설계 및 제조, 랙 레벨 열 관리 및 레이아웃 엔지니어링
지속가능성 가치	고효율 아키텍처, 열 회수 가능성, 모듈형 설계