슈퍼컴퓨터활용

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누리온 슈퍼컴퓨터로 수행한 극초음속 경계층 난류 천이 고정밀 수치해석

지금 이 순간에도 지구 어딘가에서는 마하 5 이상의 초고속으로 하늘을 가르는 극초음속 비행체 기술 경쟁이 치열하게 벌어지고 있습니다. 시속 6,000km라는 엄청난 속도로 비행하는 이 기체들은 공기와의 극심한 마찰로 인해 표면 온도가 순식간에 2,000도에서 3,000도 이상까지 치솟는 극한의 환경에 노출됩니다. 이때 비행체 주변의 공기는 분해되어 플라즈마 상태가 되며 공력 가열은 폭발적으로 증가하게 됩니다. 만약 이 공력 가열을 효과적으로 차단하지 못한다면 비행체는 공중에서 순식간에 타 버릴 위험이 큽니다. 따라서 극초음속 비행의 핵심은 속도 그 자체보다도 상상을 초월하는 고열로부터 기체를 안전하게 보호하는 기술에 달려 있습니다. 극초음속 비행에서 가장 결정적인 물리 현상은 공기의 흐름이 정돈된 층류에서 불규칙한 난류로 변하는 '난류 천이' 현상입니다. 이 짧은 구간에서 발생하는 열은 일반적인 층류 상태보다 최대 10배까지 치솟으며 기체 구조에 심각한 타격을 입힙니다. 광주과학기술원(GIST)의 지솔근 교수팀은 이러한 위험천만한 구간을 정확히 분석하기 위해 극초음속 경계층 유동 연구에 매진하고 있습니다. 연구팀은 유동의 안정성이 무너지는 과정을 면밀히 추적하여, 비행체 표면에서 가열이 폭발적으로 증가하는 위치를 정밀하게 파악하고자 했습니다. 이는 유체 역학적 관점에서 비행체의 안전성과 성능을 동시에 확보하기 위한 필수적인 과정입니다. 연구팀은 복잡한 난류 유동을 정교하게 해석하기 위해 KISTI의 슈퍼컴퓨터 5호기인 ‘누리온’을 활용했습니다. 계산 효율을 높이기 위해 선형 안정성 이론으로 층류를 먼저 분석한 뒤, 난류 천이 이후의 복잡한 구간은 직접 수치 모사(DNS)로 계산하는 혁신적인 결합 방식을 채택했습니다. 시뮬레이션 결과 극초음속 환경에서의 난류 천이 구간은 기존의 유동보다 훨씬 길게 나타났으며, 이 구간의 열유속이 난류보다도 강하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이번 성과는 미래 극초음속 비행체의 비행 한계를 넓히고 정밀한 구조 설계를 가능하게 하는 중요한 이정표가 될 것입니다. 뜨거운 공기를 뚫고 비행하는 미래 기술의 안전을 이 정밀한 데이터가 뒷받침하고 있습니다.

한국과학기술정보연구원초고성능컴퓨터! 슈퍼컴퓨터

물리학
공학·기술

암세포 따위 굶겨 죽이자! 작전명: TM4SF5 차단

암세포는 정상 세포와 달리 조절되지 않는 증식 능력을 가지고 있습니다. 유전자 변이로 인해 사멸 주기를 무시하고 무한히 자라나며 인체 장기 기능을 망가뜨리는 것이 특징입니다. 이러한 비정상적인 성장을 유지하기 위해서는 막대한 양의 영양 공급이 필수적인데, 특히 간암 세포의 경우 아미노산의 일종인 아르지닌이 매우 중요한 역할을 합니다. 이화여자대학교 최선 교수 연구팀은 간암 세포가 이 아르지닌을 어떻게 감지하고 활용하는지에 주목했습니다. 영양소 공급원을 차단함으로써 암세포를 억제할 수 있는 새로운 치료 전략의 가능성을 탐색한 것입니다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 TM4SF5라는 특정 단백질이 아르지닌을 감지하는 센서 역할을 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 라이소좀 내부에 존재하는 아르지닌을 이 센서가 인식하면 세포 내 신호 전달 경로인 mTOR-S6K1이 활성화되어 암세포의 생존과 단백질 합성을 촉진하게 됩니다. 연구진은 TM4SF5와 아르지닌의 결합을 방해할 경우 이러한 신호 전달 체계가 차단되어 간암 세포의 증식이 멈춘다는 메커니즘을 입증했습니다. 이는 영양 결핍 상태를 유도하여 간암 치료의 새로운 지평을 열 것으로 기대됩니다. 이번 연구 성과에는 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 기술이 결정적인 기여를 했습니다. 실험적으로 규명하기 까다로운 막단백질의 3차원 구조와 역동적인 움직임을 예측함으로써 신약 개발에 필요한 정밀한 데이터를 확보할 수 있었습니다. 특히 실제 생체 환경과 유사한 막과 수분 조건에서의 시뮬레이션은 약물 설계의 효율성을 극대화했습니다. 최선 교수는 향후 빅데이터와 인공지능을 결합한 신약 개발 플랫폼을 구축하여 글로벌 신약 개발이라는 최종 목표를 향해 나아가고 있습니다. 첨단 컴퓨팅 기술은 이제 기초 연구를 넘어 혁신적인 신약 탄생의 든든한 조력자가 되고 있습니다.

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생명과학
융합
공학·기술

[최초공개] 핵융합 상용화 비밀 풀어줄 슈퍼컴퓨터 등장! 국내 3위 규모 슈퍼컴의 위엄

핵융합 연구는 막대한 노력과 자원이 투입되는 정밀한 과학적 여정입니다. 한정된 실험 기회를 최대한 효율적으로 활용하기 위해서는 철저한 예습과 복습이 무엇보다 중요합니다. 여기서 말하는 예습과 복습이란 과거의 방대한 실험 데이터를 심도 있게 분석하고, 향후 진행될 실험 결과를 과학적으로 예측하는 일련의 과정을 의미합니다. 이러한 정밀한 데이터 기반의 접근법이야말로 핵융합 상용화를 앞당기는 핵심 동력이자 연구의 성패를 가르는 중요한 요소라고 할 수 있습니다. 복잡한 물리 현상을 다루는 핵융합 연구에서는 계산의 정밀도가 결과의 신뢰도를 결정합니다. 이를 위해 슈퍼컴퓨터와 같은 거대한 계산 자원이 반드시 필요하며, 전산 팀과 시설 팀은 도입 단계부터 안정적인 전력 공급과 냉각 시스템 구축을 위해 긴밀하게 협의해 왔습니다. 인프라 구축 과정에서 결정된 사항들이 실제 시스템에 잘 반영되었는지 점검하는 일은 매우 중요합니다. 이러한 체계적인 준비 과정을 거쳐 확보된 슈퍼컴퓨터는 핵융합 연구의 든든한 기술적 토대가 되고 있습니다. 현재 진행 중인 KSTAR 실험의 궁극적인 목표는 핵융합 발전에 필수적인 고온 플라즈마 노심을 안정적으로 구현하는 것입니다. 실제 실험을 진행하다 보면 예상보다 결과가 좋거나 혹은 기대에 미치지 못하는 경우가 발생하는데, 슈퍼컴퓨터는 이러한 오차의 원인을 분석하는 데 활용됩니다. 예상치 못한 변수들이 플라즈마에 미치는 영향을 과학적으로 규명함으로써 KSTAR의 성능을 지속적으로 향상시키고, 우리가 이해하지 못했던 물리적 현상들을 하나씩 정복하며 기술적 완성도를 높여가고 있습니다. 연구소의 슈퍼컴퓨터는 총 420여 개의 노드로 구성되어 있으며, 각 노드에는 48개의 CPU가 탑재되어 총 2만 대의 가정용 컴퓨터에 맞먹는 강력한 성능을 자랑합니다. 이 거대한 연산 능력을 바탕으로 KSTAR 규모의 플라즈마 성질을 예측하는 실력을 갖추는 것이 현재의 당면 과제입니다. 이러한 데이터가 축적되면 다음 단계인 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에서도 더욱 강력하고 안정적인 플라즈마 성능을 예측하고 제어할 수 있는 독보적인 기술적 역량을 확보하게 될 것입니다. KSTAR와 ITER를 거치며 확보한 시뮬레이션 기술은 미래 핵융합 장치 설계의 패러다임을 바꿀 것입니다. 실제 장치를 제작하기 전이라도 고도화된 시뮬레이션을 통해 설계안이 목표 성능을 달성할 수 있는지 미리 검증할 수 있기 때문입니다. 특정 부품의 추가나 제외가 전체 성능에 미치는 영향을 사전에 분석함으로써 시행착오를 획기적으로 줄이고, 우리가 꿈꾸는 에너지 자립을 실현하기 위한 가장 효율적이고 경제적인 핵융합로 설계의 길을 열어줄 것으로 기대됩니다.

한국핵융합에너지연구원

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