Max Planck 첨단과학협회는 주로 독일에서 활동하고 있는 독립 비영리 연구 단체입니다. 전세계 대부분의 과학 연구 기관과 마찬가지로 괴팅겐 연구소(Göttingen Institute)도 연구 활동을 수행하고 그 결과를 분석하기 위해 필수적으로 고도의 컴퓨팅 연산 능력을 이용합니다. 괴팅겐 연구소가 NVIDIA® CUDA™ 및 Tesla 기술을 활용하여 GPU에서 병렬 컴퓨팅 시스템을 채택하면서 3D 전자 저온 현미경을 이용한 Holger Stark 교수 연구팀의 연구 활동에 가속도가 붙기 시작했습니다.

당면과제

Stark 교수는 거대분자라 일컬어지는 매우 작은 나노분자의 구조와 3D 이동에 대해 보다 정확하게 이해하려는 연구를 진행하고 있습니다. 모든 생물 세포에 존재하는 이러한 생물학적 ‘기계’는 가장 근본적인 생명 유지 활동을 담당하므로 이러한 메커니즘을 정확하게 파악하는 것이 무엇보다 중요합니다. 예를 들어, 항생제는 리보솜이라고 하는 박테리아에 존재하는 특정 거대분자의 기능에 작용하여 그 효능이 나타납니다. 따라서 의학 연구자들이 효과가 우수한 약품을 개발하기 위해서는 이러한 리보솜과 그 기능을 세부적으로 파악하는 것이 매우 중요합니다.

거대분자를 세부적 3D 이미지로 생성하기 위해 Stark 연구팀은 전자 현미경을 사용합니다. 최신 전자 현미경이 원자 사이의 거리를 측정할 수 있는 해상도를 가지고 있기는 하지만 여기서 연구하는 생물학적 구조는 이러한 강력한 전자 빔에 의해 파괴됩니다. 생물학적 구조를 그대로 유지하기 위해 연구 팀은 샘플을 극저온으로 냉각시킨 다음 상대적으로 낮은 전자 선량을 사용하여 거대분자의 구조와 3D 움직임을 관찰합니다. 그러나 낮은 해상도 때문에 영상에 노이즈가 많이 생기는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 노이즈를 줄이고 여러 이미지를 신속하게 정렬하여 정확도를 높이는 특수 3D 영상 처리 도구를 개발했습니다.

연구팀은 48 코어 CPU 클러스터를 사용하여 15,000개의 이미지를 약 7일만에 정렬할 수 있었습니다. 그러나, 이러한 속도라면 연구된 모든 거대분자에 대해 백만 개의 이미지를 정렬하는 기간만 13년이 걸립니다.

솔루션

2008년 2월 괴팅겐 연구소 시설은 세계 최초로 NVIDIA® Tesla™를 설치하고 200개의 GPU를 탑재한 서버를 운영하게 되었습니다. NVIDIA® CUDA™ 프로그래밍 언어를 사용하여 Tesla 서버 솔루션에서 알고리즘을 실행한 결과, 연구원들은 병렬화된 GPU의 엄청난 계산 능력을 활용하여 계산 작업을 훨씬 빠르게 수행할 수 있었습니다.

이 GPU 구조에서 백만 개의 이미지를 정렬하는데 소요되는 시간은 이제 14시간 밖에 걸리지 않습니다. 이는 이전의 CPU 클러스터와 비교하여 800배나 빨라진 속도입니다. 긍정적 결과를 확인한 이 연구 기관은 이미지 정렬 작업을 단 9시간 만에 완료하는 수준으로 Tesla 설비를 증설하여 괴팅겐 GPU 클러스터의 이론적 성능을 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터와 동등한 수준으로 끌어올린다는 계획을 세워놓고 있습니다.

Stark 교수는 “저희에게 가장 절실히 필요했던 NVIDIA의GPU 기술을 저희는 가장 필요한 때에 이용할 수 있었습니다. 그 효과는 정말 혁신적이었습니다. 이전에 CPU를 이용한 솔루션으로는 너무 느려 상상도 하지 못했던 계산 작업을 단 몇 시간 만에 끝낼 수 있으니까요. 이 기술은 혁신을 창출하고 새로운 과학적 사실을 발견할 수 있게 해줍니다.”라고 말합니다.

효과

괴팅겐 연구소는 항생제와 박테리아에 존재하는 거대분자 사이의 관계를 보다 깊이 있게 이해하여 더욱 효과가 뛰어난 약품과 항생제를 개발할 수 있게 되었습니다. 질병과 수술로부터 보다 빠르게 회복하고, 궁극적으로 소중한 생명을 구하는 일에 크게 기여하게 될 것으로 기대됩니다.