양자 컴퓨팅, AI 데이터센터 전력 문제 해법 제시

인공지능(AI) 데이터 센터는 전 세계 전력 소비의 주요 주체이며, 그 비중은 앞으로 더욱 커질 것으로 예상된다고 글로벌 뉴스 매체 HPC와이어가 3일(현지시각) 보도했다.

보도에 따르면 2022년 AI 데이터 센터는 약 460테라와트시(TWh)의 전력을 소비했으며, 이는 전 세계 전력 사용량의 약 2%를 차지했다.

국제에너지기구(IEA)는 2026년 이 소비량이 650TWh에서 1,050TWh 사이로 증가할 수 있으며, 이는 전 세계 전력 수요의 최대 3.5%에 달할 수 있다고 전망했다.

인공지능과 클라우드 서비스의 급속한 확산으로 인해 이러한 수요 증가는 주요 기술 기업들이 혁신적인 전력 솔루션을 모색하도록 이끌었다. 아마존과 구글 같은 기업들은 지속가능성 목표를 준수하면서도 막대한 전력 수요를 충족하기 위해 소형 모듈형 원자로에 투자하고 있다. 이러한 첨단 원자력 기술은 안정적이고 저탄소 에너지원을 제공할 수 있다.
이러한 상황에서 중성 원자 기술 기반의 양자 컴퓨터는 복잡한 문제 해결에 더욱 지속가능한 접근 방식을 제시하며 새로운 해결책으로 떠오르고 있다.


기존의 고전적 시스템은 막대한 양의 에너지를 소비하는데, 이는 주로 고전력 프로세서를 가동하고 과열을 방지하는 데 필요한 냉각 시스템을 유지하는 데 사용된다.

전 세계 데이터 센터는 에너지 비효율성으로 인해 운영 비용 증가라는 문제에 직면해 있으며, 이러한 시설의 환경적 발자국은 계속해서 늘어나고 있다. 에너지 효율성은 성능과 환경적 책임의 균형을 맞추려는 기업과 연구 기관에 전략적 필수 요소가 되었다.

실제로 가장 강력한 고전적 슈퍼컴퓨터를 선정하는 Top500 목록과 함께, 전 세계에서 가장 에너지 효율적인 슈퍼컴퓨터를 선정하기 위해 Green500도 발표된다.

가장 강력한 슈퍼컴퓨터 500대의 평균 전력 소비량은 2.1메가와트인 반면, 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 20대는 11메가와트 이상을 소비한다. 반면 큐에라(0QuEra)의 256큐비트 양자 컴퓨터 아퀼라(Aquila)는 10킬로와트 미만을 소비하는데, 이는 약 1,000배나 낮은 수치다. 양자 컴퓨터가 모든 문제를 해결할 수 있는 것은 아니며, 고전적 슈퍼컴퓨터의 능력을 뛰어넘는 제한적인 범위의 문제만 해결할 수 있지만, 양자 컴퓨터의 활용 분야가 늘어나면 앞으로 상당한 순 에너지 절감이 가능해질 것이다.


양자 컴퓨터는 어떻게 더 효율적일까? 효율성의 핵심은 양자 컴퓨터가 중첩과 얽힘을 활용해 기존 컴퓨터가 할 수 없는 방식으로 정보를 처리하는 능력에 있다. 기존 시스템이 복잡한 시스템을 시뮬레이션하거나 특정 문제를 해결하기 위해 수백만 개의 프로세서에 의존하는 반면, 양자 컴퓨터는 비교적 적은 수의 큐비트를 사용해 기하급수적으로 더 큰 데이터 세트를 표현하고 처리한다. 이러한 근본적인 차이로 인해 양자 시스템은 전력을 일부만 소비하면서도 동일하거나 더 나은 결과를 얻을 수 있다.

양자 컴퓨터의 에너지 이점은 최적화, 암호화 작업, 양자 시뮬레이션과 같은 특정 종류의 문제를 해결하는 데 특히 두드러진다.

고전적인 슈퍼컴퓨터는 무차별 대입에 의존하여 수십억 또는 수조 건의 연산을 수행하여 솔루션을 철저히 검색해야 하며, 이는 엄청난 에너지 소비로 이어진다. 반면, 인수 분해를 위한 쇼어 알고리즘이나 검색을 위한 그로버 알고리즘과 같은 양자 알고리즘은 훨씬 더 효율적으로 동일한 결과를 얻을 수 있어 계산 단계와 전력 요구 사항을 줄일 수 있다. 이러한 효율성은 계산 요구 사항과 지속가능성 목표를 모두 해결하는 산업에 혁신적인 변화를 가져온다.

양자 컴퓨터의 하드웨어 요구 사항은 에너지 효율성을 더욱 강조한다. 양자 시스템은 종종 초전도 큐비트를 위한 극저온 냉각이나 중성 원자를 위한 고급 레이저 설정과 같은 제어된 환경을 필요로 하지만, 이러한 설정에서 소비되는 에너지는 고전적인 슈퍼컴퓨터의 광범위한 서버 팜과 냉각 인프라에 비해 적다. 예를 들어, 가장 큰 고전적인 시스템에 전력을 공급하는 데이터 센터는 CPU, GPU 및 냉각 시스템을 지원하기 위해 수십 메가와트의 전력을 소비할 수 있다. 반면, 양자 컴퓨터는 소형이며, 성능이 향상됨에 따라 에너지 사용량이 더욱 효율적으로 확장된다.

또 다른 핵심 요소는 확장성이다. 기존 슈퍼컴퓨터는 프로세서, 메모리, 상호 연결을 더 많이 추가하여 더 높은 성능을 달성하는데, 이는 전력 소비가 선형적이거나 심지어 초선형적으로 증가하는 결과를 낳는다. 반면 양자 컴퓨터는 몇 개의 큐비트만 추가하여 계산 능력을 기하급수적으로 증가시킨다. 예를 들어 큐비트 수를 두 배로 늘리면 탐색할 수 있는 계산 공간의 크기가 기하급수적으로 증가하여 에너지 사용량이 비례적으로 증가하지 않고도 상당한 성능 향상을 얻을 수 있다. 이러한 확장성은 글로벌 에너지 문제가 더욱 시급해짐에 따라 양자 시스템을 특히 매력적으로 만든다.


에너지 소비 감소를 넘어 양자 컴퓨터는 에너지 효율성을 높이는 많은 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어, 에너지 그리드 최적화, 배터리 소재 개선, 심지어 제조 공정의 낭비 감소는 양자 알고리즘이 글로벌 에너지 소비를 줄이는 데 직접적인 영향을 미칠 수 있는 분야다.

양자 기술을 채택하는 컴퓨팅 센터는 컴퓨팅 파워와 지속가능성 모두에서 선두를 차지할 수 있는 좋은 위치에 있을 것이다. 이러한 센터는 고전적 시스템에서 양자 시스템으로 전환함으로써 재료 과학, 물류, 기후 모델링과 같은 분야에서 획기적인 진전을 이룰 수 있다. 이러한 분야는 글로벌 에너지 소비에 직접적인 영향을 미친다.

양자 컴퓨팅, 특히 중성 원자 기술은 오늘날 고성능 컴퓨터 센터가 직면한 에너지 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제공한다.

전력 소비를 크게 줄이고 계산 작업을 최적화함으로써 양자 시스템은 고성능 컴퓨팅의 차세대를 주도할 수 있는 지속가능한 대안을 제시한다. 그러나 오늘날의 양자 컴퓨터는 확장성, 오류 수정 및 효과적으로 해결할 수 있는 문제 범위에 한계가 있어 아직 초기 단계에 있다는 점을 인정하는 것이 중요하다.

기술이 계속 발전함에 따라 양자 컴퓨터는 HPC 센터가 전력 소비 문제를 해결하고 성능 요구 사항을 충족하는 동시에 에너지 사용을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 양자 솔루션을 채택함으로써 이러한 센터는 미래에 계산 및 환경 목표를 모두 달성할 수 있는 더 나은 장비를 갖추게 될 것이다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com