엔비디아, 블랙홀 전파간섭계 상관 처리를 가속하는 cuPhoton 툴킷 공개

GPU 기반 전파간섭계 가속 기술 도입

엔비디아가 전파간섭계 데이터를 그래픽 처리 장치(GPU)로 병렬 처리하는 큐포톤(cuPhoton) 툴킷 0.1.3 버전을 공개했다. 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터 및 매사추세츠공과대학교 헤이스택 관측소와 협력해 개발한 엑스빔(xBeam) 모듈은 망원경 관측 기록을 읽어 들여 간섭계의 가시도(Visibility) 데이터를 생성하는 상관기(Correlator) 역할을 수행한다. 64개의 GPU를 탑재한 엔비디아 베라 루빈 NVL72 시스템에서 10테라바이트(TB) 용량의 관측 자료를 70초 만에 처리하여 기존 중앙처리장치(CPU) 기반 기준선 대비 약 460배 빠른 성능을 기록했다.

사건의 지평선 망원경(EHT)은 지구 전역에 분산된 13개 전파관측소를 초장기선 전파간섭계(VLBI) 방식으로 연결해 밀리미터 및 서브밀리미터 대역의 전파 신호를 수집한다. 각 망원경은 편파당 초당 최대 64기가비트의 속도로 데이터를 기록하므로 단일 관측만으로 수 페타바이트에 달하는 방대한 기록이 누적된다. 물리적인 광학 렌즈로 직접 상을 맺을 수 없기 때문에 지구 자전에 의해 불연속적으로 생성되는 푸리에 성분 표본들을 합성해 역문제를 풀어야만 블랙홀의 중심 그림자와 광자 고리를 복원할 수 있다.

엑스빔의 상관 처리와 병렬 구조

엑스빔은 기록 데이터를 복사하거나 재기록하지 않고 타임스탬프와 스레드 및 물리적 위치 정보를 바탕으로 경량 부가 색인 파일을 생성한다. 이를 통해 무작위 접근 시 필요한 프레임 위치로 즉각 이동할 수 있도록 데이터 구조를 재편성한다. 이후 기하학적 지연 시간 다항식과 관측소 시계 오차 및 주파수 대역별 편차를 반영해 파면을 정렬하고 지구 자전으로 인한 위상 편차를 보정한다. 고속 푸리에 변환(FFT) 이전 단계에서 정수 단위 표본 정렬과 간섭 줄무늬 회전을 수행하고, 이후 단계에서 주파수 의존적인 소수점 표본 지연 위상을 보완한다.

정렬된 신호는 고속 푸리에 변환을 통해 세부 주파수 채널로 분할된 뒤, 서로 다른 관측소 쌍 간의 스펙트럼 복소 켤레곱 연산을 거친다. 연산 과정에서는 적분 시간 동안 곱셈 결과를 누적하며 결측이나 유효하지 않은 입력 데이터는 마스크 처리되어 노출 가중치 정규화에 반영된다. 이렇게 산출된 최종 가시도 측정값은 기존 오픈소스 상관기인 디아이에프엑스(DiFX)의 스윈(SWIN) 규격이나 엑스빔 전용 형식으로 저장된다.

작업 제어는 표준 제이슨(JSON) 규격 작업 명세서나 기존 상관기 입력 파일을 통해 설정되며 파이썬 라이브러리와 명령줄 도구 모두 지원한다. 데이터 입출력 방식은 호스트 고정 메모리를 거치는 표준 방식과 지피유다이렉트 스토리지(GDS) 인터페이스를 통한 직접 전송 방식을 선택할 수 있으며, 64개 GPU 확장 시 초당 170기가바이트의 읽기 대역폭을 확보한다. 단일 노드 다중 장치 분할뿐 아니라 다중 노드 환경에서 관측 시간을 구간별 샤드로 나누어 독립 연산한 뒤 단일 가시도 결과물로 통합하는 병렬 확장을 지원한다.

관측 파이프라인 영향과 기술적 한계

그동안 수 시간에서 수일 이상 소요되던 상관 처리 시간이 수십 초 단위로 단축됨에 따라 차세대 사건의 지평선 망원경(ngEHT)이나 블랙홀 익스플로러(BHEX)와 같은 대규모 관측 계획의 자료 분석 부담이 크게 줄어든다. 또한 표준화된 작업 명세 구조를 갖추고 있어 인공지능 에이전트가 관측 메타데이터를 파싱하고 작업 설정을 생성하여 클러스터 실행과 상태 모니터링을 자율적으로 조율하는 과학 연구 자동화 파이프라인으로 확장할 여지를 제공한다. 아울러 큐포톤 툴킷 내 광학 및 엑스선 분석 모듈과 연계하여 계산 집약적 천체물리 연구 전반의 효율을 높인다.

다만 엑스빔은 어디까지나 전파 관측 전압 기록을 상호 비교해 가시도를 도출하는 상관 연산에 국한된다. 관측소 위치를 바탕으로 지연 모델을 직접 산출하거나 블랙홀 주변의 빛 궤적을 추적하는 기능은 포함하지 않으며, 가시도로부터 3차원 가스 모델이나 가우시안 스플래팅 형태의 최종 영상을 복원하는 후속 보정 및 역문제 합성은 별도 소프트웨어의 몫이다. 아울러 수신 버퍼 재생 프로필을 적용하더라도 누락된 신호 표본 자체를 복원하지는 못하며 단지 시간 기준점을 유지하는 수준에 머문다는 제약이 명시되어 있다.