슈퍼컴퓨터「후가쿠(Fugaku)」기술을 활용하여 36큐비트의 세계최고속도 양자 시뮬레이터 개발에 성공

- 양자 컴퓨터의 실용화를 목표로 한 애플리케이션 개발 가속화

4월 12일, 2022

후지쯔는 슈퍼컴퓨터 「후가쿠(Fugaku)」의 CPU「A64FX」(주1)를 탑재한 「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700」(주2, 이하 「PRIMEHPC FX700」)로 클러스터 시스템을 구축하여 36큐비트(Qubit)의 양자 회로를 처리할 수 있는 세계에서 가장 빠른 양자 컴퓨터 시뮬레이터 (이하 "양자 시뮬레이터")를 개발했습니다.

이 양자 시뮬레이터는 양자 시뮬레이터 소프트웨어 Qulacs(주3)를 고속으로 병렬 분산 처리함으로써, 36큐비트(Qubit) 양자 연산에 있어 다른 기관(회사)의 주요 양자 시뮬레이터(주4)보다 약 2배의 성능을 달성하며, 수십년 후 실용화가 예상되는 양자 컴퓨터의 애플리케이션을 선행적으로 개발할 수 있습니다.

후지쯔는 지난 4월 1일부터 후지필름주식회사(이하 후지필름)와 협업하여 재료 분야에서 양자 컴퓨터 애플리케이션(이하, 양자 애플리케이션)의 연구를 시작했습니다.

앞으로 2022년 9월까지 40큐비트(Qubit)의 시뮬레이터를 개발하고, 금융, 신약 개발 등 다양한 분야의 고객들과 협력하여 양자 애플리케이션의 연구 개발을 가속화시키는 등 양자 컴퓨터의 실용화를 위한 최선의 노력을 다할 것입니다.

개발 배경

점차 복잡해지는 사회과제를 해결하기 위해 고전(기존) 컴퓨터에 비해 기하급수적인 계산 속도의 향상이 기대되는 양자 컴퓨터의 개발이 시급하나, 하드웨어 계산의 에러율과 확장면에서 어려움이 있어 실용적인 양자 컴퓨터의 등장은 수십 년 이내에 가능하다고 합니다.

이에 지금은 고전(기존) 컴퓨터에서 동작하는 양자 시뮬레이터가 주목받고 있으며, 이를 통해 양자 컴퓨터에서 사용 가능한 애플리케이션의 개발이 가속화될 것으로 기대되고 있습니다.

개발된 양자 시뮬레이터에 대해

후지쯔는 슈퍼컴퓨터 「PRIME HPC FX700」 64 노드로 구성된 클러스터 시스템으로 실행되는 병렬 분산형 양자 시뮬레이터를 개발했습니다. 「PRIME HPC FX700」은 슈퍼컴퓨터 「후가쿠(Fugaku)」의 CPU 「A64FX」를 탑재하고 있어, 배정밀도 부동 소수점 연산으로 최고 성능 이론치 3.072테라플롭스(TFLOPS)의 계산이 가능합니다. 또한 초당 1,024 기가바이트(이하, GB)의 광대역폭을 가진 32 GB메모리가 탑재되어 있을 뿐만 아니라 각 노드를 인피니밴드(InfiniBand」(주5)로 연결하여 초당 12.5 GB의 고속 통신이 가능합니다.

양자 시뮬레이터 소프트웨어로는 오사카대학과 QunaSys Co., Ltd.가 공동 개발한 세계 최고속 레벨의 「Qulacs」를 채용해, 「A64FX」에 이식할 때 SVE(Scalable Vector Extension) 명령(주6)을 활용하여 여러 계산을 동시에 수행함으로써 메모리 대역폭의 성능을 극대화했습니다. 또한 MPI(Message Passing Interface)(주7)로 'Qulacs'를 병렬분산 처리함으로써 계산과 통신을 오버랩 시키는 것으로 네트워크 대역폭을 최대화하는 데이터 전송을 실현했습니다. 또한 클러스터상의 분산 메모리에 전개되는 큐비트(Qubit)의 상태 정보를 양자 회로와 해당 계산의 프로세스에 맞추어 효율적으로 재배치하는 새로운 방식을 개발하여 통신 비용을 절감했습니다.

이러한 방식은 'Qulacs' 이외의 양자 시뮬레이터 소프트웨어에도 적용 가능합니다. 이를 통해 36큐비트(Qubit)의 양자 시뮬레이터로서 다른 기관(회사)이 개발한 주요 양자 시뮬레이터와 비교하여 약 2배의 성능을 달성해 세계 최고의 처리 속도를 달성했습니다. 본 양자 시뮬레이터를 양자 컴퓨터 소프트웨어 (이하 양자 소프트웨어라고 함)의 주요 개발 툴의 하나인 Qiskit (주8)에 대응시켜 양자 소프트웨어 개발자에게 매우 편리한 개발 환경을 제공했습니다. 또한 QunaSys(주9)와의 파트너십을 통해 향후 본 양자 시뮬레이터 상에서 당사가 제공하는 양자화학 계산 소프트웨어 "Qamuy"(주10)를 이용 가능하게 하여 다방면으로 고속 양자화학 계산 실현을 목표로 합니다.

후지필름과의 공동 연구

후지쯔는 후지필름과 혁신적인 소재 설계 방법을 실현하기 위해 계산 화학 분야에서 양자 응용 프로그램의 공동 연구를 시작했습니다. 공동 연구에서는 분자의 화학 반응 계산 등에 있어서 본 양자 시뮬레이터를 활용하여 양자 컴퓨팅 특유의 알고리즘을 검토하고 평가합니다.

1. 기간: 2022년 4월 1일~2023년 3월 31일

2. 목적: 계산 화학 영역에서 양자 컴퓨팅 기술 활용

3. 연구 내용: 분자의 화학 반응 등에서 양자 컴퓨팅 특유의 알고리즘의 검토 및 평가

4. 역할과 책임: [후지쯔] 양자 시뮬레이터 제공, 계산 결과의 고찰과 개선 방법 검토

[후지필름] 양자화학 연산 실행, 계산 결과의 고찰과 개선 수법 검토

향후 계획

후지쯔는 보다 대규모이고 빠른 양자 시뮬레이터를 실현하기 위해 여러 양자 게이트 계산을 정리해 실행하는 게이트 융합 기술을 강화해 2022년 9월까지 40큐비트(Qubit)의 양자 시뮬레이터를 개발하여 금융 및 신약개발과 같은 분야로 확장할 것입니다. 또한 양자 시뮬레이터를 사용하여 개발된 양자 애플리케이션에 대한 지식을 향후 양자 컴퓨터에 적용해 양자 컴퓨팅 기술을 활용하여 사회 과제 해결을 신속하게 실현하는 것을 목표로 하고 있습니다.

[각사의 코멘트]

오사카대학교 공학과 대학원 후지이 게이스케(Keisuke Fujii) 교수의 코멘트

양자 컴퓨터의 성능을 이끌어내는 양자 소프트웨어와 양자 애플리케이션의 개발에 있어서, 슈퍼 컴퓨터를 이용한 고속 시뮬레이터는 점점 중요해지고 있습니다. 이번에 오픈 소스 소프트웨어로 전세계에서 이용되고 있는 'Qulacs'와 슈퍼컴퓨터 '후가쿠'의 기술을 융합하여 개발된 세계 최고속 시뮬레이터가 미래를 향한 양자 소프트웨어 개발을 크게 가속시킬 것으로 기대 하고 있습니다.

후지필름 오쿠노 유키히로(Yukihiro Okuno) 분석기술센터 수석연구원의 코멘트

양자 컴퓨터는 계산 화학 분야에서 기존 컴퓨터에서는 불가능했던 고정밀 계산을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 후지필름은 재료 개발에서 양자 컴퓨터를 활용하기 위한 타당성 조사의 일환으로 본 공동 연구를 진행해 나갈 것입니다.

후지쯔 비벡 마하잔(Vivek Mahajan) 부사장 겸 CTO의 코멘트

슈퍼컴퓨터 '후가쿠'의 개발 등을 통해 쌓아온 컴퓨팅 기술을 적용하여 세계에서 가장 빠른 양자 시뮬레이터 개발에 성공했습니다. 앞으로는 양자 응용 분야의 개발을 가속화하고 고객을 위한 양자 시뮬레이터를 활용하여 다양한 문제를 해결함으로써 지속 가능한 세계에 기여하는 것을 목표로 하고 있습니다.

(주석)

1 A64FX: 세계 최초의 프로세서는 확장 가능한 벡터 확장(SVE)을 구현하며, 슈퍼컴퓨터를 위한 Armv8.2-A 명령 세트 아키텍처의 확장입니다. 48개의 산술 코어를 가지고 있으며 이중 정밀 부동 점 산술로 최대 3.3792 TFLOPS의 이론적 피크 성능을 달성합니다. 또한 단일 정밀도/반정밀 부동점 산술 및 8비트/16비트 정수 산술 연산술은 512비트 와이드 SIMD로 높은 처리량으로 계산할 수 있으며 AI와 같은 처리에 매우 효과적입니다.

2 PRIMEHPC FX700: 후지쯔의 슈퍼컴퓨터로, 슈퍼컴퓨터 「후가쿠(Fugaku)」에 채택된 CPU "A64FX"가 장착된 고성능 ARM 아키텍처를 채택하였습니다.

3 Qulacs: 오사카대학교 공학과학대학원 후지이연구소가 주로 개발한 오픈소스 양자회로 시뮬레이터 소프트웨어가 QunaSys에 의해 개발 및 유지되고 있습니다.

- Intel Quantum Simulator (Intel-QS) (https://arxiv.org/abs/2001.10554),

- Forschungszentrum Jülich's "JUQCS" (https://arxiv.org/abs/2104.03293),

- IBM's Qiskit-Aer (https://arxiv.org/abs/2102.02957)

5 인피니밴드(Infiniband): 주로 슈퍼컴퓨터에서 사용되는 서버를 연결하는 네트워크입니다. 함께 번들로 묶인 여러 채널을 사용하여 고속 대역폭을 실현할 수 있는 양방향 직렬 연결 통신 방법입니다.

6 SVE(Scalable Vector Extension): 단일 명령과 병렬로 여러 작업을 실행하는 CPU 명령입니다.

7 MPI (Message Passing Interface): 슈퍼컴퓨터에서 병렬 처리를 실현하기 위해 통신 처리를 설명하는 통신 API입니다.

8 Qiskit: IBM이 개발하고 오픈 소스로 출판된 양자 소프트웨어 개발 도구.

9 QunaSys와의 파트너십: "양자 컴퓨터 벤처 QunaSys는 시리즈 B에서 총 12억 4천만 엔을 모금 (QunaSys 보도 자료<3월 28일> https://qunasys.com/news/posts/9yt7kpmf-f8)

10 Qamuy: QunaSys에서 제공하는 양자화학 계산 소프트웨어. 양자화학 계산의 입력은 양자 회로로 변환할 수 있으며 시뮬레이터 및 실제 기계에서 원활한 계산을 할 수 있습니다.