엔비디아(www.nvidia.co.kr, CEO 젠슨 황)는 GTC 2022에서 유전체학과 양자 컴퓨팅, 경로 최적화 알고리즘 등의 문제 해결에 사용되는 ‘동적 프로그래밍(dynamic programming)’의 속도를 새로운 DPX 명령어로 최대 40배까지 향상시키는 엔비디아 호퍼(NVIDIA Hopper) GPU 아키텍처를 31일 공개했다.
엔비디아 H100 GPU 명령어 집합인 DPX는 개발자의 코드 작성을 도와 여러 산업 내 동적 프로그래밍 알고리즘의 속도를 높이고 질병 진단, 양자 시뮬레이션, 그래픽 분석, 경로 최적화 워크플로를 개선한다.
지난 1950년대에 개발된 동적 프로그래밍은 2개의 핵심 기법인 재귀(recursion)와 메모이제이션(memoization)을 활용해 복잡한 문제들을 해결한다.
재귀는 기존 문제를 보다 단순한 하위 문제로 분해해 시간과 계산 작업을 단축시킨다. 기존 문제 해결에 반복적으로 등장하는 하위 문제들에 대한 답들은 메모이제이션을 통해 저장된다. 따라서 나중에 기존 문제를 해결할 때 하위 문제를 다시 계산하지 않아도 되므로 효율성이 향상된다.
엔비디아 H100 GPU의 DPX 명령어는 엔비디아 암페어(Ampere) 아키텍처 기반 GPU와 비교해 동적 프로그래밍 알고리즘의 속도를 최대 7배 향상시킨다. 엔비디아 H100 GPU 4개를 탑재한 노드에서는 더욱 탁월한 속도 개선을 기대할 수 있다.
동적 프로그래밍은 각종 최적화와 데이터 처리, 오믹스 알고리즘에 두루 사용된다. 지금까지 대부분의 개발자들은 이런 유형의 알고리즘을 CPU나 FPGA에서 실행해왔으나 이제 엔비디아 호퍼 GPU에서 DPX 명령어를 활용해 극적인 가속화를 달성할 수 있다.
오믹스는 유전체학(DNA 중심)과 단백질체학(단백질 중심), 전사체학(RNA 중심) 등 생물학의 여러 분야를 다룬다. 질병 연구와 신약 개발에 중요한 영향을 미치는 이 분야들이 주로 의존하는 알고리즘적 분석을 DPX 명령어로 가속할 수 있다.
일례로 스미스-워터맨(Smith-Waterman)과 니들맨-분쉬(Needleman-Wunsch) 동적 프로그래밍 알고리즘은 DNA 시퀀스 정렬과 단백질 분류, 단백질 접기(protein folding)에 사용된다. 두 알고리즘 모두 서로 다르게 정렬된 검체들의 유전자 시퀀스 적합도를 점수화 방법을 통해 측정한다.
스미스-워터맨은 결과의 정확도가 매우 높지만 다른 정렬 기법에 비해 더 많은 컴퓨팅 리소스와 시간을 요한다. 그러나 엔비디아 H100 GPU 4개를 탑재한 노드에서 DPX 명령을 사용하는 경우, 관련 프로세스를 35배까지 가속해 베이스 콜링(base calling)과 정렬 작업, DNA 시퀀싱이 동일한 속도로 진행되는 실시간 프로세싱을 달성할 수 있다.
물류 센터 내부를 오가는 자율 로봇에게 동적 이동을 위한 최적의 경로 찾기는 중요한 작업이다. 컴퓨터 네트워크에서 다중의 수신기에 데이터를 전송하는 송출기의 경우도 마찬가지다.
최적화 문제를 해결하기 위해 플로이드-워셜(Floyd-Warshall) 기법이 사용된다. 플로이드-워셜은 지도나 그래프에서 각 목적지 사이의 최단 거리를 파악할 때 사용되는 동적 프로그래밍 알고리즘이다. 여기에 엔비디아 H100 GPU 4개가 탑재된 서버를 활용하면 전통적인 듀얼 소켓의 CPU 전용 서버 대비 속도를 40배 향상시킬 수 있다.
이처럼 가속한 경로 최적화를 엔비디아 cuOpt AI 물류 소프트웨어와 접목해 공장이나 자율주행 자동차, 추상 그래프의 매핑과 경로 알고리즘의 실시간 애플리케이션에 활용할 수 있다.
엔비디아 H100 GPU와 DPX 명령어로 가속 가능한 동적 프로그래밍 알고리즘은 매우 많다. 양자 컴퓨팅 또한 큰 효과를 기대할 수 있는 분야이다. 양자 컴퓨팅에서는 양자 시뮬레이션용 텐서 최적화 알고리즘에 동적 프로그래밍이 사용된다. DPX 명령어는 적합한 텐서 수축 순서의 식별 프로세스를 가속해준다.
또 다른 잠재적 응용 분야로 데이터 사이언스를 들 수 있다. SQL 프로그래밍 언어를 사용하는 데이터 과학자들의 경우, 하나의 테이블 세트에서 복수의 “조인(join)” 작업을 수행해야 할 때가 많다. 동적 프로그래밍은 이 조인 작업의 순서 최적화를 도와 실행 시간을 크게 줄이고 SQL 쿼리를 가속한다.