Update2024.06.26 (수)
나노물질 시뮬레이션 기술
5) 일본의 Materials Simulation Program : SPIRE:
세계 최상위 슈퍼컴퓨터인 ‘K’를 활용할 분야로 다음의 분야가 “Strategic Programs for Innovative Research(SPIRE)”프로그램에 선정되었다.
Field 2 : Computational Materials Science Initiative(CMSI)
- Next-generation advanced device science
- Energy conversion
- Molecular function and chemical conversion
- Fundamental science of novel quantum states and new materials
Field 4 : Industrial Innovation
- 일본 제조 산업의 공정혁신
- 컴퓨팅을 이용한 혁신 기술 및 제품의 효율적 개발
■ 국내 연구개발 동향
■ 연구개발 현황
1) 제일원리계산:
국내의 많은 대학과 연구소에 제일원리계산을 활용하여 소재 및 나노과학을 연구하는 연구자들이 있어서 매우 다양한 연구를 진행하고 있고, 연구자들의 역량도 세계적인 수준이다. 그러나 외국에서 개발한 소프트웨어를 활용한 연구는 상당한 수준이지만 전산모사 소프트웨어 개발은 거의 전무한 실정이어서 새로운 방법론의 개발과 이를 바탕으로 해당 분야를 선도하는 연구는 거의 진행하지 못하고 있다. 각 연구기관의 연구자들이 다소 파편화되어 각자 소규모 연구를 진행하는 경향이 강한데, 학문적 연구가 아닌 실용화를 목표로 한 연구라는 측면에서는 다소 비효율적이다.
2) 분자동역학 시뮬레이션:
국내 분자동역학 연구는 선진국과 달리 퍼텐셜/힘장 개발 및 알고리즘 개발과 같은 기초연구보다는 응용연구에 치우쳐져 있다. 퍼텐셜/힘장 개발 분야의 경우 포항공대의 EAM 기반 퍼텐셜과 KIST의 ReaxFF 개발이 유일하다.
국내 분자동역학 연구진의 논문을 분석 결과, 발표된 총 논문 수는 세계 16위권이지만, High IF(Impact Factor) 논문 비율은 중국․러시아․인도보다 우위에 있고 일본과 대등한 수준을 보이고 있다. 이는 선진국에 비해 분자동역학 연구자들의 수가 적지만 연구 능력은 우수함을 의미한다.
3) 중규모 전산모사:
해외에서의 중규모 계산모사 연구에 비해 국내의 연구 수준은 아직 많이 부족한 면을 보이고 있다. 우선 연구의 규모 면에서 매우 소수의 연구자들만이 중규모 계산을 진행하고 있으며 연구주제도 매우 한정적으로 이루어지고 있다. 특히 많은 국내 연구자들은 새로운 계산모사 방식을 연구하기 보다는 많이 알려진 소프트웨어를 이용하여 중규모 소재시스템을 연구하고 있다. 이러한 이유로 국내에서 만들어지는 중규모 계산 소프트웨어는 거의 찾아보기 힘들며 대부분 외국의 기술에 의존하고 있다. 하지만 새롭고 도전적인 소재시스템을 연구하기 위해서는 국내 고유 기술로 만들어진 소프트웨어가 매우 시급히 요구되는 상황이다. 많이 사용되는 소프트웨어는 다양한 시스템을 목적으로 만들어지기 때문에 효율성에서 떨어지며 특히 이용자가 원하는 데로 변형하거나 기능을 추가하는 것이 사실상 불가능하기 때문에 한정적인 기능만을 이용할 수 있기 때문이다.
4) Kinetic Monte Carlo 시뮬레이션:
국내에서는 대학을 중심으로 일부 진행이 되었으나, 체계적으로 연구가 진행되고 있지 않은 것으로 파악된다. 삼성전자 CAE 그룹에서 KMC 연구를 진행하는 것으로 알려져 있으나 자세한 내용은 공개하지 않고 있다.
■ 선도 기관
1) 제일원리계산:
2) 분자동역학 시뮬레이션:
3) 중규모 전산모사:
4) Kinetic Monte Carlo 시뮬레이션:
■ 미래의 연구방향 및 제언
■ 미래의 연구방향:
지난 20여 년간 CPU 코어 개수, 시스템 메모리, 저장용량 그리고 컴퓨터간 통신 기술의 발전에 힘입어 고성능 컴퓨팅 기술이 혁신적으로 발전해 왔다. 앞으로도 이러한 경향은 지속되어 고성능 컴퓨팅 능력은 계속 발전할 것으로 기대되며, 연구자들은 더 많은 수의 코어를 활용한 연구개발을 하게 될 것이다. 이러한 하드웨어의 발전을 나노물질 시뮬레이션에 적극 활용할 수 있는 전략적 접근이 필요하다. 나노물질의 시뮬레이션에서는 해석 가능한 시스템의 크기와 시간을 확장하면서도 더 빠르고 정확하게 계산을 해 낼 수 있는 방법의 개발이 필요하다. 또한 물질 내에 일어나는 화학적 변화를 정확히 예측하고 해석할 수 있는 새로운 방법론의 개발도 함께 진행되어야 한다.
미래의 고성능 컴퓨팅 환경에서는 좀 더 심도 있고 체계적인 전략을 통해 효율적인 시뮬레이션 프로그램을 구축하여야 한다. 현재 수준에서 8~64 코어를 사용하는 병렬화된 코드는 쉽게 만들 수 있지만, 수천 수 만개의 CPU 코어를 사용하는 경우의 문제에 대해서는 좀 더 심층적인 분석이 필요하며 이를 구현하기 위해 컴퓨터 공학자와의 협력도 매우 중요하다. 거대규모의 계산환경에서는 프로그램 내의 병렬화되지 않은 부분 혹은 비효율적으로 병렬화된 부분에 의한 계산 성능의 저하가 더욱 크게 부각된다. 또한, 계산 결과의 분석 알고리즘이나 가시화 기술 역시 방대한 결과 자료로부터 의미 있는 결과를 도출하는데 매우 중요한 기술이다. 한편, 병렬화된 슈퍼컴에는 적절치 않은 나노물질 시뮬레이션 연구주제도 고려하여야 한다. 조합탐색법에 의한 신물질 설계기술은 병렬화된 거대규모 계산보다는 독립적인 작은 규모의 job을 많이 수행하여야 하는 특징을 가지고 있다.
제일원리계산 분야의 연구는 계산의 정확도와 계산 속도를 높여 제일원리 방법론 자체를 발전시키는 방향과 제일원리계산법을 여타의 다른 이론적 기법과 함께 사용하여 더 큰 틀의 이론적 연구방법을 개발하는 방향으로 발전해 나갈 것이다. 밀도범함수이론 기법들에서 보다 정확한 교환상관 에너지(exchange-correlation energy)의 형식을 찾아내는 과정은 여전히 진행 중이다. 반데르발스 밀도범함수의 개발이나, Hybrid-functional과 GW 등이 널리 보급된 점도 이러한 방향에서 아직도 계속되고 있는 큰 진전이다.
컴퓨터 성능의 비약적 발전에 힘입어 제일원리계산을 대량으로 할 수 있게 되면서, 이런 계산법을 다른 이론적 틀의 하부구조로 사용하는 연구는 점점 확대될 것이다. 이미 앞서 언급했던 재료 정보학(informatics)과 DFT의 결합을 통한 신소재 개발, 물질과 현상에 대한 열역학적 이론 체계 안에 제일원리계산을 결합시켜 열역학적 특성을 순수 이론적인 방법으로 연구하는 것, 멀티스케일 전산모사의 하부구조로서 제일원리계산을 활용하는 연구들이 이러한 예이다. 이러한 일련의 연구방법들은 순수 이론적인 방법으로 현상에 대한 종합적인 설명을 제공하기 때문에 부분적인 예측과 설명만을 제공할 수 있었던 기존의 많은 파편화된 이론적 연구들보다 훨씬 강력한 설명을 제공한다. 계산의 전면적 혹은 부분적 자동화가 이러한 연구에서 자주 시도되고 있다는 점도 주목할 만하다. 계산의 자동화는 전산모사 자체에 소모되는 연구자의 노력을 줄여 줌으로써 연구의 효율을 크게 높여 줄 수 있다.
현재의 분자동역학 기술은 매우 짧은 시간(~10-9초 단위)의 현상만을 예측할 수 있다. 실험 현상을 좀 더 광범위하게 설명하기 위해서는 현재의 짧은 시간 한계를 극복할 수 있는 방법론 개발이 필요하다. 이를 위해서는 새로운 개념의 분자동역학 알고리즘 개발이 무엇보다 필요하다. 분자동역학을 운용하기 위해서는 원자간 퍼텐셜 혹은 힘장이 필요하다. 하지만 현재까지 개발된 대부분의 퍼텐셜/힘장은 다룰 수 있는 소재에 한계가 있다. 계산하고자 하는 소재의 퍼텐셜/힘장이 없어서 분자동역학을 운용하지 못하는 일이 허다하다. 이런 점에서 소재의 한계가 없는 모든 소재를 아우를 수 있는 퍼텐셜/힘장 개발 및 데이터베이스 구축이 필요하다. 현재 그 대안으로 ReaxFF가 될 수 있다. 또한 정확성이 없는 시뮬레이션은 실험자들에게 신뢰를 줄 수 없다. 높은 정확성을 갖는 퍼텐셜/힘장 개발 또한 매우 중요하다. 그리고 분자동역학 기술이 산업체로 활용분야를 넓히기 위해서는 무엇보다 큰 영역(large-scale)의 해석 기술개발과 멀티스케일, 병렬처리 등 계산환경의 구축도 필요하다.
무엇보다 중요한 중규모 전산모사의 미래 연구방향은 나노소재에 대한 물리적 특성에 대한 연구이다. 기존 소재의 한계를 극복하고 미래 과학기술 발전을 유도하기 위해서는 소재의 나노 구조화가 무엇보다 유망하며 그러한 나노소재의 물리․화학․기계․광학적 특성에 대한 예측 및 구조설계를 할 수 있는 중규모 전산모사가 요구되고 있다. 나노소재는 원자수준에서 전산모사 연구를 진행하기에 어려운 거대한 소재 시스템이므로 중규모 전산모사가 중요한 역할을 해야 하는 분야이고 현재 많은 연구자들이 노력을 기울이고 있는 영역이다. 동시에 나노소재는 수많은 근사가 요구되는 현재의 중규모 전산모사로 정확하게 특성을 예측하기 어려운 분야이기도 하다. 현재 대부분의 근사가 아주 거대한 소재 단위에서 이루어진 것이므로 이러한 근사적인 물리 방정식이 나노단위에 적용되게 된다면 많은 오차를 야기하게 된다. 수 나노미터 단위에서는 수 마이크로 혹은 수 밀리미터 정도에서는 큰 문제로 나타나지 않던 오차들이 매우 큰 오차가 될 수 있으므로 이에 대한 보정이 요구된다. 이러한 이유로 거대 소재 단위의 근사가 아닌 나노 단위에서 물리현상을 모사할 수 있는 새로운 물리 방정식에 대한 연구가 우선 요구된다. 이러한 물리 방정식은 일부 연구가 된 분야도 있지만 많은 경우 연구가 되어 있지 않아 상당한 오차를 야기하고 있다. 물리 방정식의 정확도가 떨어진다면 매개변수가 정확하더라도 결과적으로 옳지 않은 계산 결과를 주게 되므로 실용적인 연구로 이전되기 어렵다. 그러므로 정교한 물리학적 근사 방정식의 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다.
다음으로 중요한 미래 연구 방향은 데이터베이스의 구축이라고 할 수 있다. 앞서 설명했듯이 물질의 상호 작용이 근사적 물리 방정식과 매개변수로 계산되는데 정확한 이매개변수를 얻기 위해서는 다양한 조건에서의 원자단의 계산이나 실험 결과가 요구된다. 이러한 매개변수들은 기존에 연구되어 축적된 데이터를 바탕으로 계산할 수 있다. 축적된 데이터의 양과 질에 따라 매개변수의 정밀도는 비례하게 되며 궁극적으로 중규모 전산모사의 결과 값의 정확도에 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 이러한 데이터베이스 구축은 크게 두 가지 측면에서 접근할 수 있다. 우선 기존 연구결과를 수집하는 노력이 요구된다. 오랜 시간 많은 이론 및 실험 연구가 있어왔지만 그 연구 결과에 대한 데이터베이스 구축은 매우 미미하게 이루어져 왔다. 기존 연구 결과의 수집은 간단해 보이지만 쉬운 일은 아니다. 첫 번째로 흩어져 있는 연구 결과들을 정리하여 하나의 데이터베이스를 구축하는 일은 많은 노동력과 시간이 요구된다. 하나하나 연관성 있는 데이터를 분리 편집하는 작업은 일부 자동화가 가능하지만 수집자의 판단이 많이 요구되는 작업이기에 그에 대한 인력이 많이 필요하다. 두 번째로 연구 결과에 따른 다양한 실험 및 전산모사 환경 조건을 모두 반영할 수 있는 데이터베이스가 이상적이지만 현실적으로 불가능하다. 그러므로 어떠한 환경 조건들이 중요한지에 대한 판단이 요구되며 이는 다방면에 지식이 풍부한 연구자가 요구되는 사항이다. 이와 같은 기존의 연구 데이터의 수집뿐만 아니라 부족한 부분에 대한 연구도 병행되어야 한다. 특히 나노소재의 물리 화학적 특성을 연구하기 위해서는 기존의 연구 결과가 무의미한 경우가 많고 새로운 현상을 고려하기 위해서는 과거의 틀에 맞춰서 연구되어 왔던 결과에 추가로 새로운 연구가 필요한 경우가 많다. 이에 대한 많은 연구가 필요하므로 마찬가지로 많은 시간과 노력이 요구된다.
■ 정책적 제언:
다음 그림은 계산과학 분야에서 국내의 연구역량에 관한 SWOT 분석 결과이다.
정책적으로는 계산과학 분야에서 우리가 가지고 있는 약점을 보완하기 위한 노력이 필요한 시점이다. 우리나라의 계산과학 연구진은 일정규모 이상의 연구그룹을 형성하지 못하고 대학교수 혹은 연구원 개인의 연구를 통해 외국에서 개발된 기술(프로그램)을 이용한 응용연구 역량을 축적해 왔다. 따라서, 계산과학의 응용능력에 관해서는 많은 경험을 가지고 있고, 강점 또한 있다. 그러나 자체 프로그램의 개발이나 새로운 방법론의 개발, 혹은 힘장의 개발 등 선도 기술과 기반기술 부분은 매우 취약하다. 이러한 기반기술 및 선도 기술을 강화하기 위해서는 일정규모 이상의 연구진을 육성하여 응용연구진과 기반기술 연구자가 함께 일할 수 있는 환경이 구축되어야 한다. 그래야만 우리만이 가지고 있는 나노물질 시뮬레이션의 기반 기술과 선도 기술을 바탕으로 세계적으로 뛰어난 응용연구가 가능해 질 것이다.
또한, 이러한 연구진의 연구자들이 모여서 각자의 전문성을 활용하여 목표지향적인 연구개발을 추구할 수 있는 융합 연구 프로그램의 개발과 집행이 요망된다. 나노물질 시뮬레이션 기술의 산업적 가치 창출을 위해서는 멀티스케일 시뮬레이션이 반드시 필요하며, 이러한 기술은 유기적 협업을 통해서만 가능하다. 나노물질 시뮬레이션 기술은 범용성이 높아서 신소재와 나노 물질 연구에 매우 광범위하게 사용될 수 있다. 특히, 실험과 시뮬레이션은 장점이 서로 반대편에 있기 때문에 이 둘의 결합은 큰 상승효과를 줄 것이다. 따라서 신소재 연구와 나노 물질 연구에서 실험 연구자와 계산 연구자가 공동연구를 하는 것 또한 적극 장려하는 것이 바람직하다.
나노 물질 시뮬레이션 기술의 산업적 가치는 대규모 계산이 가능한 고성능 컴퓨팅 환경에 크게 의존하므로 고성능 컴퓨터 환경을 조성하는 것도 필요한 일이다. 국가에서는 다양한 하드웨어 architecture를 갖는 고성능 클러스터 컴퓨터들을 구축하여 연구자들이 활용할 수 있도록 제공할 필요가 있다. 많은 연구자들이 자신이 직접 리눅스 클러스터를 보유/관리하며 연구를 수행하고 있고, 때때로 국가 슈퍼컴퓨팅 연구소에서 제공하고 있는 슈퍼컴퓨터를 사용한다. 하지만 국내의 컴퓨터 자원은 선진국에 비할 바가 되지 못한다. 슈퍼컴퓨터 환경을 확충함에 있어서 한 가지 고려할 점은 세계의 슈퍼컴퓨터들 중에서 최상위에 랭크되는 컴퓨터가 굳이 필요한 것은 아니라는 점이다. 최상위 랭크의 슈퍼컴퓨터를 한 대 구축하는 것과 최상위는 아니지만 고성능 슈퍼컴퓨터를 여러 대 구축하는 것 중에서 어떤 것이 실질적으로 활용도가 높고 비용이 적게 드는지 따져봐야 할 것이다.
우리나라의 소프트웨어를 개발할 수 있는 환경을 조성해 주는 것도 중요한 정책적 방향이다. 프로그램 개발자와 사용자의 분리는 재료 연구자가 프로그램 개발의 압박에서 벗어나 재료 연구에만 몰두할 수 있게 했다는 장점이 있지만, 연구에 필요한 새로운 계산법을 몇몇 소수의 개발자가 개발해 주기를 기다릴 수밖에 없다는 단점도 동시에 있다.
우리나라는 제일원리계산 소프트웨어 개발이 거의 전무하여 이런 단점에 완전히 노출되어 있다. 단기적 성과를 지속적으로 내도록 요구받는 현실에서 오랜 시간 드러나는 성과 없이 연구를 진행해야하는 소프트웨어 개발에 개별 연구자들이 뛰어들기는 매우 어렵다. 따라서 이에 대한 정책적 변화나 배려가 필요하다. 현 단계에서 완전히 독자적인 소프트웨어를 만드는 것부터 시작하는 대신 오픈소스 소프트웨어 그룹에 일원이 되어 개발에 기여하는 것도 우리의 소프트웨어 개발 능력을 담보하는 방법으로서 고려해 볼만하다. 또한, 단기간에 가시적인 성과를 내기 힘든 퍼텐셜/힘장 개발 및 신개념 분자동역학 기술 개발과 같은 기초연구에 과감히 투자할 필요가 있다. 국내 분자동역학 기술이 세계적 수준으로 도달하기 위해서는 무엇보다 이와 같은 기초연구에 관심을 가질 필요가 있다.
