매년 TOP500 프로젝트는 세계에서 가장 강력한 컴퓨터 순위를 2회 발표한다. 이 목록은 매우 인기가 있으며 엄청난 영향을 미친다. 글로벌 초대국은 모두 경제에서 주요 리더 위치에 있다. 이 보고서를 작성할 당시 중국은 229 대의 설비를 보유하고 있었으며 선두 순위에 있었다.
미국에는 단지 121대가 있지만 테네시 주 오크 리지 국립 연구소 (Oak Ridge National Laboratory)에 세계에서 가장 강력한 Summit 슈퍼 컴퓨터가 포함되어 있으며 최고 연산 속도는 초당 143 페타 플롭 (Petaflops 편집자 주: 1초당 1,000조번의 수학 연산처리를 뜻하는 말)이다.
순위는 일련의 선형 방정식을 푸는 Fortran 서브 루틴의 모음인 Linpack이라는 기본 측정 순서에 의해 확정되며, 이 방정식을 풀 때 필요한 시간이 컴퓨터 속도의 척도이다.
이 기준 측정의 선택에 관해 많은 논란이 있다. 통상적으로 컴퓨터의 시스템 구조는 특정 문제를 해결하기 위해 최적화되는 경우가 많지만, 많은 컴퓨터 구조는 Linpack의 도전 과제와 매우 다르다. 예를 들어, 양자 컴퓨터 성능은 이러한 문제를 해결하기에 완전히 부적합하다.
이것은 중요한 질문을 제기한다. 양자 컴퓨터는 특정 유형의 문제를 해결할 때 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터보다 성능이 뛰어나지만 과연 얼마나 강력할까? 근본적인 문제는 어떻게 이 성능을 측정하고, 고전적인 컴퓨터와 비교하는가이다.
오늘날 캘리포니아 주 마운틴 뷰에있는 NASA Ames Research Center의 양자 인공 지능 연구소에서 근무하는 Benjamin Villalonga 팀 덕분에 우리들은 위의 질문에 대한 답변을 얻을 수 있다. 이 팀은 고전적인 컴퓨터와 양자 컴퓨터 모두에 동시에 적용할 수 있는 기준을 개발했으며 이러한 방식으로 성능을 비교할 수 있다.
더 중요한 것은 이 팀이 이미 새로운 기준을 사용하여 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터 Summit 성능을 초당 281 페타 플롭 (Petaflops)의 최고 컴퓨팅 속도로 끌어 올렸다. 즉 양자 컴퓨터가 순위에서 최고 위치를 차지하려면 반드시 이 기준을 깨야 한다.
양자 컴퓨터 성능을 테스트하는 좋은 방법을 찾는 것은 쉽지 않았다. 처음부터 컴퓨터 과학자들은 양자 컴퓨터가 제한된 수의 고도로 전문화된 작업을 수행할 때 고전 컴퓨터보다 성능이 뛰어날 수 있다는 것을 알고 있었다. 그럼에도 불구하고, 현재 여전히 그 중 어떤 것을 수행하기에 충분한 강력한 양자 컴퓨터가 아직 없다. 예를 들어 오류 수정 계산을 구현할 수 없다.
따라서 Villalonga와 Co는 양자 컴퓨팅 기능에 대한 보다 기본적인 테스트 방법을 모색하고 있다. 이 방법은 고전 컴퓨터와 미래의 더 발전한 양자 기계에 대해 똑같이 효과적이며 현재 전형적 컴퓨터 상에서도 시뮬레이션 할 수 있다.
그들이 선택한 방법은 임의의 양자 회로를 사용하여 양자 혼돈의 진화를 시뮬레이션하는 것이다. 이 프로세스는 강력한 오류 수정을 필요로 하지 않으며 잡음에 침몰된 결과도 필터링하는 작업이 상대적으로 간단하기 때문에 간단한 양자 컴퓨터는 이를 수행할 수 있다.
전형적 컴퓨터의 경우 아날로그 양자 혼돈 시뮬레이션도 매우 간단하다. 그러나 이 연산을 수행하는 데 필요한 계산 능력은 관련된 양자 비트 수가 증가함에 따라 기하 급수적으로 증가한다.2 년 전, 물리학자들은 최소한 50 큐 비트의 양자 컴퓨터이어야 성능이 기존의 슈퍼 컴퓨터보다 강력하다는 판단을 내렸다.
그러나 수퍼 컴퓨터의 업그레이드로 인해 양자 컴퓨터의 퀀텀 비트 수도 지속적으로 변화하고 있다. 예를 들어, 현재 Summit 슈퍼 컴퓨터의 성능은 작년11월 당시 가장 높은 운영 속도 인 초당 143 페타 플롭 (Petaflops)을 기록한 마지막 순위에 비해 천만 억 회의 부동 소수점 연산으로 크게 향상되었다. 실제로 Oak Ridge National Laboratories는 2021 년까지 한 대가 매초 150 억 억회(exaflop)의 부동 소수점 연산을 할 수 있는 수퍼 컴퓨터를 구축할 계획이라고 이번 주에 발표했다. 따라서 이 장비들을 신흥 양자 컴퓨터와 지속적으로 비교할 수 있게 하는 것이 점점 더 중요해지고 있다.
나사 (NASA)와 구글의 연구원은 고전적인 기계에서 임의의 양자 회로를 시뮬레이션 할 수 있는 qFlex라는 알고리즘을 만들었다. 작년에 그들은 qFlex가 Bristlecone이라는 Google 양자 컴퓨터의 성능을 시뮬레이션하고 테스트할 수 있음을 보여주었다. 이 컴퓨터는 72 큐 비트였다. 이를 위해 그들은 NASAAmes에서 20 페타 플롭의 디지털 컴퓨팅 성능을 갖춘 수퍼 컴퓨터를 사용한다.
그림 2) 출처: Qtumist, 컴퓨터 칩
이제 그들은 Summit 슈퍼 컴퓨터가 더 큰 양자 장치의 성능을 시뮬레이션 할 수 있다는 것을 이미 입증했다. 그들은 "Summit 컴퓨터 상에서 우리는 49 큐 비트와 121 큐 비트의 전자회로를 시뮬레이션하여 281Pflop/s (단위 정밀도) 연속 성능을 실현할 수 있었다."라고 말한다.
이 121 큐 비트는 기존의 양자 컴퓨터의 기능을 뛰어 넘는다. 따라서 고전적인 기존 컴퓨터는 TOP500 프로젝트 컴퓨터 순위에서 여전히 선두 위치에 있다.
그러나 이것은 고전적인 컴퓨터가 필연적으로 실패할 대결이다. 현재 일부 팀은 향후 몇 년 내에 100 개 이상의 큐 비트를 가진 양자 컴퓨터를 개발할 계획을 가지고 있다. 양자 컴퓨팅 기능이 가속화됨에 따라 더 강력한 고전 컴퓨터를 구축해야 하는 어려움이 점점 커지고 있다.
왜냐하면 새로운 기계를 구축하는데 있어 제한 요소는 더 이상 하드웨어가 아니라 운영 효율을 유지할 수 있느냐에 있기 때문이다. Summit 기계는 여전히 14 메가 와트의 전력을 필요로 하는데 이는 생활 속에서 중형 마을 전체를 조명하기에 충분할 정도의 전력이다. “그러한 시스템을 10 배로 확장시키려면 140 메가 와트의 전력이 필요하며 이는 인류에게 매우 비싸다. "라고 Villalonga와 Co는 말한다.
대조적으로, 양자 컴퓨터는 에너지 절감 기계다. 그들의 주요 전력 요구 사항은 초전도 요소를 냉각시키는 것이다. 따라서 Google의 Bristlecone과 같은 72 비트 컴퓨터는 약 14 킬로와트가 필요하다. Villalonga와 Co는 "양자 비트 시스템의 확장으로 이 수치도 현저하게 증가할 가능성은 크지 않다"고 말한다.
따라서 효율성 순위에서 양자 컴퓨터는 조만간 필연적으로 상대를 여지없이 패하게 할 것이다.
어쨌든 양자 헤게모니가 올 것이다. 고전 기계에서 무작위 양자 회로를 시뮬레이션하는 작업이 가능하다면 qFlex가 양자 컴퓨터 및 고전 컴퓨터의 성능을 측정하기위한 새로운 기준이 될 것을 증명할 것이다.
