계산과학
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물리 시뮬레이션


슈퍼컴퓨팅 ‘08의 CUDA 튜토리얼로 3D 유한차분(Finite Difference)예제를 공개했다. 라이스(Rice)대학의 팀 워버튼(Tim Warburton)이  맥스웰 방정식(Maxwell Equation) 해석 등을 공개하였다. 악셀러웨어(Acceleware) 전자기 시뮬레이션, 그래픽 가속기에 메트릭스 형 FDTD 알고리즘 적용하였다.

 

아래는 유전탐사 관련 FDTD 알고리즘의 적용사례이다.

 

 

SeismicCity_logo.jpg

과제


국제유가가 급락을 거듭하면서 불안정한 모습을 보이는 가운데 가격 안정화하기 위해 새로운 유정을 찾으려는 노력이 더욱 가속화되고 있습니다. 하지만 안타깝게도, 탐사와 시추 작업은 수백만 달러에 이르고 엄청난 투자가 이뤄져야 하며, 성공 확률도 매우 낮은 위험성을 가지고 있습니다.

잠재적인 시추 위치를 정확하게 찾아 위험성을 최소화하기 위해, 대부분의 석유 탐사 작업에는 텍사스 휴스턴에 위치한 SeismicCity 같은 전문 기업이 제공하는 3D 지진 이미징 기술이 이용됩니다. 그러나, 복잡한 지리 영역의 이미징은 수 테러바이트의 복잡한 데이터를 처리해야 하는 엄청난 작업입니다.

Depth Imaging 기술 개발업체인 SeismicCity는 이처럼 복잡한 이미징 데이터 처리를 위해 더욱 빠르고 정확하면서도 연속적으로 코드를 생성하는 기법을 도입하였습니다. 하지만, 고유 알고리즘을 업그레이드할 때마다 데이터를 계산하고 처리하기 위해서는 10배의 성능이 요구되었으며, 새로운 알고리즘을 처리하기 위해 20,000개의 CPU에 해당하는 성능 업그레이드가 요구되었습니다. 결국 SeismicCity는 기존 하드웨어 환경으로는 고객들이 원하는 충분한 성능을 제공하는 것이 불가능하다고 결론 내렸습니다.


해결책


미래 기술 요건에 대한 기반으로서, SeismicCity는 NVIDIA® Tesla™ S870 1U 서버 시스템에서 NVIDIA® CUDA™를 실행하여 GPU 컴퓨팅으로 방향을 전환했습니다. 엄청난 처리 용량을 제공하는 이 병렬 컴퓨팅 아키텍처는 이전의 CPU 기반 구성과 비교할 때에 20배 이상의 성능 향상을 보여줍니다. 또한, CUDA에 기반을 둔 NVIDIA의 차세대 Tesla 프로세서는 추가적으로 약 3.5배의 성능 개선을 가져다 주었습니다. 향후 업그레이드 측면에서도 GPU는 뛰어난 확장성을 가지고 있어 새로운 알고리즘으로 신속한 전환이 가능하며, 사용자 요구에 따라 하드웨어 플랫폼을 유연하게 확장시킬 수 있습니다.

SeismicCity 기술 부사장인 Claude Pignol은 “SeismicCity의 차별화 요소로 알고리즘을 꼽을 수 있습니다. 한 세대의 코드에서 다음 세대의 코드로 이동한다는 것은 훨씬 정확한 이미지를 얻을 수 있음을 의미하며, 이는 더욱 정확하고 효과적인 탐사와 직접적으로 연관됩니다. NVIDIA의 GPU 컴퓨팅 기술은 차세대 알고리즘으로 보다 신속하고 경제적으로 이동할 수 있는 밑거름이 되었습니다.”라고 말합니다.


성과


더욱 빠르고 정확해진 SeismicCity의 3D Depth Imaging 기술을 통해 기업들은 보다 신속하고 비용 효율적으로 새로운 유전을 발굴하는 것이 가능해졌습니다. 시추 업체는 이전에 명확하지 않았던 지진 데이터로 인해 어려움을 겪었던 영역에서 훨씬 정확한 데이터를 기반으로 의사결정을 내릴 수 있게 되었으며, 이는 궁극적으로 석유 생산을 위한 다양한 요구를 만족시키는 기반이 되고 있습니다.

 

 

당면과제


석유 및 가스를 발견하는 일은 점차 어려워지고 있습니다. 해저면 20,000 피트 아래에서 최근 발견된 멕시코만의 잭 필드와 같이 매장량이 많은 경우는 주로 매우 깊은 곳이나 분석이 어려운 퇴적층에서 발견됩니다. 이러한 저장고를 발견하기 위해서는 엄청난 양의 데이터를 확보하고 처리하는 일이 수반됩니다. 퇴적층이 복잡해짐에 따라 더 나은 해상도가 필요하며 이는 곧 더 많은 데이터를 확보해야 한다는 것을 의미합니다.


솔루션


많은 사람들이 GPU를 단순한 게임 테크놀로지로 생각할 때에 휴스턴 소재 지리물리학적 데이터 분석 전문 기업인 Headwave는 그래픽 카드의 병렬 처리를 이용하는 차세대 컴퓨팅 플랫폼 개발을 시작했습니다.

엔비디아® GPU 컴퓨팅 솔루션에 구현된 Headwave 솔루션은 고급 필터를 데이터에 적용해 수 테라바이트의 데이터상에서도 결과를 즉시 보여줍니다. 또한 지리물리학자들은 원래 확보한 엄청난 양의 데이터를 아주 손쉽게 다양한 차원에서 분석할 수 있습니다.

테라바이트에 해당하는 데이터를 처리해 의미있는 데이터를 얻는데는 일반적으로 수 개월에 걸친 수작업과 수 개월에 걸친 계산 작업이 필요합니다. Headwave는 지리물리학자들이 고급 필터를 데이터에 적용해 수 테라바이트 데이터상에서도 결과를 즉시 확인할 수 있는 제품을 시장에 출시했습니다. 엔비디아GPU 컴퓨팅 솔루션을 사용해Headwave는 컴퓨팅 속도는 100배로 향상시키고 수 작업은 100배로 줄여줍니다.


효과


엔비디아GPU 컴퓨팅 솔루션의 발전이 없었더라면 테라바이트 데이터를 가지고 작업하는 일은 불가능했을 것입니다. 석유 및 가스 회사 워크스테이션에는 이미 GPU가 탑재되어 있으며 이는 많은 하드웨어 인프라가 이 테크놀로지를 활용할 준비가 되어 있는 것을 의미합니다. 따라서, 석유 및 가스 회사들은 이 테크놀로지를 활용할 준비가 되어 있다고 할 수 있습니다.

 

GeoStar LOGO
 

해결 과제


Tesla Vertical Oil Gas

가스전 및 유전 발굴을 위한 복잡성과 비용이 증가하면서 지진 이미징 회사들은 땅 속 상태를 평가하고 지면의 지질 구조를 보다 정확하게 판단하기 위한 새로운 기술을 찾고 있습니다. 중합전 구조보정(PSTM)은 이러한 새로운 지진 이미징 기술 중 하나이지만 엄청난 양의 계산 능력이 필요하여 장비 구입과 운영 비용이 크다는 단점을 가지고 있습니다. 이 분야에서 전문성을 보이고 있는 중국의 주도적 지구 물리학 서비스 업체인 GeoStar는 비용과 전력 소모를 줄이면서 복잡한 지진 알고리즘을 실행할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.


해결 방법


GeoStar는 NVIDIA와 손잡고 이 문제를 해결하기 위해 NVIDIA Tesla GPU를 기반으로 하는 새로운 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 출시했습니다. 중국 과학 아카데미(CAS) 소속 지질 및 지구 물리학 연구소는 최근 몇 개월 간 GeoStar 솔루션을 이용하여 NVIDIA Tesla GPU를 테스트하는 작업을 진행했습니다. 740 km2를 포괄하는 PSTM 데이터를 계산하는 작업에서 24개의 Tesla GPU는 66개의 CPU(3.4GHz 코어 클럭)를 이용한 기존의 클러스터와 비교하여 600배 빠른 처리 속도를 보였습니다. 이러한 결과를 통해 CAS 연구원들은 추가적인 조정 작업을 통해 성능을 더욱 개선시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 이는 엄청난 성능 향상뿐만 아니라 시스템 가동과 냉각 모두에서 전력 소모를 크게 절감할 수 있다는 것을 보여줍니다.


결과


NVIDIA와 GeoStar는 협력을 통해 기존 CPU 클러스터와 비교하여 PSTM 계산에서 100~400배의 속도 향상을 실현하는 외에도 에너지를 95%나 줄이고 운영 비용을 절감할 수 있었습니다.

GeoStar 과학 및 기술 기업의 총괄 이사인 Liu Qin은 “석유 및 가스전 탐사에서 획기적인 솔루션입니다. NVIDIA의 CUDA 아키텍처를 기반으로 하는 NVIDIA Tesla GPU 컴퓨팅 솔루션은 석유 및 가스전 발굴과 지진 프로세싱 테스트의 개념을 완전히 바꿔놓았으며 비용 절감 효과까지 제공합니다.”라고 말합니다.

NVIDIA와 GeoStar가 개발한 솔루션은 현재 Daqing, Shengli 및 Tuha 유전에서 석유 탐사 프로젝트에 이용되고 있습니다.