산업 전반의 재료과학 연구 혁신, 엔비디아 가속 컴퓨팅으로 신소재 개발 혁신 가속화

엔비디아(www.nvidia.co.kr)가 16일부터 21일까지(현지시간) 미국 세인트루이스에서 개최되는 ‘슈퍼컴퓨팅 2025(Supercomputing 2025, SC25)’ 콘퍼런스에서 엔비디아(NVIDIA)의 새로운 가속 데이터 처리 파이프라인과 AI 마이크로서비스를 통해 첨단 재료과학 연구를 지원하고 있다고 밝혔다. 

수랭식 데이터센터, 고해상도 디지털 디스플레이, 장수명 배터리와 같은 차세대 기술을 구현하기 위해 과학자들은 에너지 효율, 내구성, 효능 등을 최적화한 새로운 화학 물질과 소재를 탐색하고 있다. 

SC25 콘퍼런스에서 공개된 신규 엔비디아 가속 데이터 처리 파이프라인과 AI 마이크로서비스는 화학과 재료과학 연구를 더욱 가속화하고 있으며, 항공우주, 에너지, 제조 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다. 

SC25 현장에 마련된 엔비디아 부스에서는 미국 에너지부(Department of Energy) 산하 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)가 엔비디아 홀로스캔(Holoscan) AI 센서 처리 플랫폼을 활용해 10나노미터 이하 해상도로 소재를 시각화하는 연구를 선보였다.

또 다른 시연에서는 엔비디아 NIM에 새롭게 추가될 두 가지 마이크로서비스가 소개됐다. 이 마이크로서비스는 배치 컨포머 탐색(batched conformer search)과 배치 분자동역학(batched molecular dynamics)에 고효율, 고처리량 방식의 시뮬레이션을 도입한다. 이는 원자 수준에서 소재의 특성을 예측하고 분석하는 데 핵심적인 절차다. 해당 NIM 마이크로서비스는 화학, 재료과학을 위한 마이크로서비스와 도구 모음인 엔비디아 알케미(ALCHEMI)의 일부로 제공된다. 

엔비디아 알케미 NIM 마이크로서비스를 최초로 사용하게 될 기업에는 일본 에너지 기업 에네오스(ENEOS)와 미국 뉴저지(New Jersey) 소재 OLED 디스플레이 기술 기업 유니버설 디스플레이 코퍼레이션(Universal Display Corporation, UDC)이 포함된다. 

브룩헤이븐 국립연구소, 엔비디아 홀로스캔으로 나노스케일 이미징 가속화

브룩헤이븐 국립연구소는 국립 싱크로트론 광원 II(National Synchrotron Light Source II, NSLS-II)를 통해 재료과학 연구를 선도하고 있다. NSLS-II는 강력한 X선 광원을 활용해 소재 특성을 조사하는 수십 개의 빔라인(beamline)을 갖춘 시설이다. 

NSLS-II는 배터리, 마이크로전자, 나노입자 초격자 등 복잡한 소재 시스템을 나노미터 해상도로 이미징할 수 있다. 이러한 실험에서는 방대한 양의 데이터가 생성되며, 과학자들이 의미 있는 인사이트를 도출하기 위해서는 첨단 컴퓨팅 기법을 통해 데이터를 처리해야 한다. 

NSLS-II 연구진은 스트리밍 데이터의 실시간 고대역폭, 고처리량 엣지 처리를 위해 엔비디아 홀로스캔 플랫폼을 활용하고 있다. 홀로스캔 가속 처리 파이프라인을 통해 연구진은 실험 진행 중 거의 즉각적인 피드백을 받을 수 있으며, 이미징 워크플로우를 보다 효율적으로 수행할 수 있다. 

NSLS-II 하드 X선 나노프로브(Hard X-ray Nanoprobe) 수석 빔라인 과학자 한페이 얀(Hanfei Yan)은 “엔비디아와의 협력으로 홀로스캔을 파이프라인에 통합함으로써, 이제는 각 스캔이 끝날 때까지 기다리지 않고도 실험을 진행하면서 바로 결과를 확인할 수 있다. 이 기능을 통해 관심 영역을 즉시 식별하고, 실험 의사결정에 매우 중요한 측정 과정에서의 특성 변화를 관찰할 수 있다”고 말했다. 

이미지 처리 효율 향상은 단순한 시간 절약을 넘어, NSLS-II와 같이 고가 장비의 운영 비용을 최적화하는 것에도 기여한다. 

NSLS-II 데이터 엔지니어링 그룹 리더 다니엘 앨런(Daniel Allan)은 “실험을 보다 효율적으로 수행하면 보다 많은 사용자를 지원할 수 있게 되며, 이는 곧 더 많은 과학적 성과로 이어진다. 이 파이프라인은 AI 기반 운영에도 활용될 가능성이 있다. 즉, 이미징 작업과 제어를 위한 AI 모델을 통합해 자율 실험을 수행할 수 있게 되는 것”이라고 말했다. 

에네오스, 액침 냉각액과 에너지 변환 촉매 개발 혁신

에네오스는 엔비디아 알케미 NIM 마이크로서비스를 두 가지 핵심 에너지 분야에 적용하고 있다. 하나는 차세대 데이터센터의 액침 냉각을 위한 신규 냉각액 발굴이며, 다른 하나는 수소 연료 생산 등 공정에 활용 가능한 촉매 탐색이다. 

에네오스의 과학자들은 컨포머 탐색과 분자동역학을 위한 엔비디아 알케미 NIM 마이크로서비스를 활용해 컴퓨팅 실험으로 분자 후보를 사전 평가할 수 있다. 이를 통해 실제 실험에서는 가장 적합한 소재만 테스트할 수 있도록 후보군을 좁힐 수 있다. 이러한 최적화는 연구개발 비용을 절감하고 상용화 속도를 높인다. 

알케미를 도입한 결과, 에네오스는 단 몇 주 만에 약 1,000만 개의 액침 냉각 후보와 1억 개의 산소 발생 반응 후보를 평가할 수 있었다. 이는 기존 방식 대비 최소 10배 이상 많은 수치다. 

에네오스 홀딩스(ENEOS Holdings, Inc.) AI 혁신 부문 총괄 책임자 타케시 이부카(Takeshi Ibuka)는 “이전에는 1,000만~1억 규모의 탐색을 수행할 생각조차 하지 못했다. 그러나 엔비디아 알케미 덕분에 광범위한 샘플링과 보다 물리적으로 현실적인 결과를 얻는 것이 놀랍도록 쉬워졌다. 계산이 매우 빠르게 완료되기 때문에, 단순 계산 작업에 시간을 소모하지 않고 결과 분석에 더 많은 시간을 생산적으로 활용할 수 있다”고 말했다. 

UDC, 차세대 OLED 스크린 개발 가속화

UDC는 에너지 효율이 높은 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED) 소재를 발명, 개발, 상용화해 시계, 스마트폰, 노트북, 컴퓨터 모니터, TV, 자동차, 가상현실 헤드셋 등 일상 제품용 디스플레이에 적용하고 있다. 

UDC의 과학자들은 엔비디아 알케미를 활용해 잠재적인 신규 OLED 소재의 특성을 예측하고 있다. 이를 바탕으로 성능이 개선되고, 에너지 효율이 향상되며, 보다 정밀한 색상 조정이 가능한 디스플레이를 개발하고 있다.

OLED 패널 (이미지 제공: UDC) 

적합한 OLED 소재를 찾는 과정은 드넓은 가능성의 우주를 탐색하는 것과 같다. UDC가 OLED 제작을 위해 만들 수 있는 분자의 수는 약 10의 100제곱에 달할 정도로 방대하다. AI 가속 컨포머 탐색을 위한 알케미 NIM 마이크로서비스를 활용하면, UDC는 기존 컴퓨팅 방식 대비 최대 1만 배 빠른 속도로 수십억 개의 후보 분자를 평가할 수 있다. 

UDC 수석 부사장 겸 CTO 줄리 브라운(Julie Brown)은 “초기에는 기존 CPU 장비를 사용했기 때문에 한 번에 탐색할 수 있는 범위가 제한적이었다. 따라서 전문 지식과 화학적 직관을 바탕으로 가장 적합한 화학 영역을 우선적으로 선택해야 했다. 이제 GPU 가속 컴퓨팅과 엔비디아 알케미를 UDC의 전문 지식과 결합함으로써, 발견의 규모와 속도를 완전히 바꿀 수 있게 됐다. 따라서 이전보다 훨씬 빠른 신소재 발굴과 개발이 가능해졌다”고 말했다. 

초기 탐색에서 발견된 가장 적합한 화합물은 이후 분자동역학을 위한 알케미 NIM을 통해 시뮬레이션으로 구현되며, 단일 시뮬레이션에서 최대 10배까지 속도를 높일 수 있다. UDC는 여러 엔비디아 GPU를 병렬로 활용해 워크로드를 처리함으로써 속도 향상을 더욱 극대화하고, 시뮬레이션 시간을 수일에서 수초로 단축하고 있다.

이미지 제공: UDC 

UDC는 엔비디아 알케미 NIM 마이크로서비스를 청색 인광(blue phosphorescent) OLED 개발 등 연구 프로젝트에 적용하고 있다. 이를 통해 에너지 효율과 기기 성능을 크게 향상시키는 기술을 탐구하고 있다. 

UDC 부사장 겸 CTO 줄리 브라운은 “엔비디아 알케미 마이크로서비스는 용량과 처리량 제한에 대한 걱정 없이 개별 연구자의 창의성을 극대화하며, 새로운 화학 실험에서 즉각적인 피드백을 제공한다. UDC는 엔비디아와의 협업을 통해 과학적 인사이트의 영향력을 강화하고, 새로운 소재의 발견과 개발 속도를 크게 높일 수 있게 됐다. 이러한 노력은 OLED의 한계를 넘어, 전 세계적으로 보다 에너지 효율적이고 지속 가능한 디스플레이 시대를 여는 기반이 된다”고 말했다. 

엔비디아 알케미는 과학, 공학 분야에서 실제 문제 해결을 가속화하는 150개 이상의 엔비디아 쿠다-X(CUDA-X) 라이브러리와 프레임워크에 포함된다. 

여기에서 엔비디아 홀로스캔에 대해 알아볼 수 있으며, 여기에서 엔비디아 알케미에 관한 정보를 확인할 수 있다. 여기에서 엔비디아의 하이퍼스케일과 고성능 컴퓨팅 부문 부사장 이안 벅(Ian Buck)의 SC25 노변대담 영상을 시청할 수 있다.

여기에서 소프트웨어 제품 정보에 관한 공지를 볼 수 있다.