KISTI-서울대, ‘천체 자체중력 초고속 계산 기술’ 개발

- 반복 연산 줄여 10배 속도 향상, 오차는 0.1% 미만

- 도입 예정 슈퍼컴퓨터 6호기에 즉시 적용 가능

□ 한국과학기술정보연구원(원장 이식, 이하 KISTI) 김용휘 선임연구원과 서울대학교(총장 유홍림, 이하 서울대) 김웅태 교수 연구팀이 구면좌표계*에서 천체의 자체중력을 빠르고 정확하게 계산하는 새로운 알고리즘을 개발했다. 이번 기술은 기존 방식보다 10배 이상 빠른 속도로 중력 계산을 수행하면서도 오차를 0.1% 미만으로 줄이는 데 성공했다.

*구면좌표계: 위도와 경도처럼 반지름과 각도를 이용해 위치를 표시하는 구(球) 형태의 좌표계로, 별이나 행성처럼 둥근 천체의 구조와 운동을 표현하는 데 적합하다.

□ 기존에 널리 쓰이던 방법은 한 방향만 빠르게 계산하거나 모든 영역을 처음부터 끝까지 연산해야 해 시간이 오래 걸리는 한계가 있었다. 이번에 개발된 알고리즘은 큰 영역을 잘게 나눠 계산한 뒤 합치는 분할정복법(divide-and-conquer strategy)과, 미리 계산한 결과를 재활용해 불필요한 연산을 줄이는 방식을 결합해 효율성을 크게 높였다.

□ 중력 계산은 천체물리 시뮬레이션에서 반복적으로 수행되는 핵심 과정이다. 계산 속도가 빨라질수록 같은 슈퍼컴퓨터 자원으로 더 큰 우주 공간과 더 긴 시간 범위를 모사할 수 있으며, 남는 자원을 자기장이나 복사(빛) 같은 다른 물리 현상 연구에 투입할 수 있다. 이를 통해 행성의 형성, 은하의 진화, 우주의 초기 모습까지 한층 정밀하게 재현할 수 있게 된다.

□ 연구팀은 이번 알고리즘을 슈퍼컴퓨터용 대표 유체역학 코드(FARGO3D, Athena++ 등)에 탑재해 즉시 활용할 수 있도록 구현했다. 특히 GPU 기반 병렬 처리 성능을 최적화했기 때문에 도입 예정인 국가 슈퍼컴퓨터 6호기에도 곧바로 적용할 수 있다.

□ 서울대 김웅태 교수는 “구면좌표계에서의 자체중력 계산은 정확도와 속도 사이의 근본적 모순이 있었는데 이번 연구가 이를 크게 완화했다”며, “슈퍼컴퓨터 환경에서 행성과 은하의 탄생을 더 빠르고 정밀하게 모사할 수 있게 됐다”고 설명했다.

□ KISTI 강지훈 첨단과학컴퓨팅센터장은 “이번 성과는 국가 전략 과제로 추진 중인 초고성능컴퓨팅 소프트웨어 생태계 조성 사업과 활용 고도화 사업의 방향과도 맞물려 있다”며, “슈퍼컴퓨터 6호기의 안정적 활용을 뒷받침하고, 응용 연구 저변 확대에도 기여할 것”이라고 말했다.

□ 논문 개요

　○ 논문명: A Fast, Second-order Accurate Poisson Solver in Spherical Polar Coordinates(doi.org/10.3847/1538-4365/adec68)

　○ 게재지: The Astrophysical Journal Supplement Series, 280:35, 2025. 9. 4.(IF=8.5, JCI 상위 8% 이내)

　○ 저자: 안정현, 김웅태, 김용휘

　○ KISTI 지원: 이기종 시스템 및 AI 기반 첨단 과학컴퓨팅 연구(K25L2M2C3), 2024년도 2차 R&D 혁신지원 프로그램(KSC-2024-CRE-0207)

[설명] 실제 천체 현상에 적용하여 실험한 결과 예시. 중심별이 만들어지고 난 뒤에 어떻게 행성이 만들어지고 진화해 가는지 보기 위한 실험으로, 실제 우주 시간으로 
약 백만 년 정도 진행되었을 때의 모습. 아래에서 위로 갈수록 원시행성계 원반 전체의 초기 질량이 증가하고, 좌에서 우로 갈수록 원반 중심에 존재하는 별의 초기 질량이 
증가한다. 초기 원시행성계 원반 질량이 클수록, 중심별의 질량이 클수록 원반 내 원시행성이 만들어질 가능성이 크고, 더 일찍 만들어진다.