35년간 못했던 얼음핵 생성 재현, 슈퍼컴·AI로 해냈다

미국 프린스턴대 연구팀, 슈퍼컴 '써밋' 활용.."기후변화 이해도 높일 것"

미국 프린스턴대 화학과 연구팀이 물이 얼음이 되는 과정을 정확히 시뮬레이션하는데 성공해 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표했다. 프린스턴대 제공

인공지능(AI)을 이용해 물 분자가 얼음이 되는 과정을 정확히 재현하는 데 성공했다. 얼음 핵 생성 과정을 예측할 수 있게 돼 기후변화에 대한 이해를 높일 전망이다.

미국 프린스턴대 화학과 연구팀은 AI 심층신경망으로 물 분자가 얼음이 되는 과정을 양자역학 연산의 정확도로 시뮬레이션하는 데 성공해 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 8월 8일자에 발표했다.

연구를 이끈 로베르토 카 미국 프린스턴대 화학과 교수는 1985년 이미 양자역학 법칙을 이용해 원자와 분자의 물리적 움직임을 예측하는 접근법을 발명했다. 이 접근법에 따르면 원자가 서로 결합해 분자를 형성하고 분자가 모여 물질이 되는 과정을 설명할 수 있다.

하지만 그는 곧 문제에 부딪혔다. 수많은 분자의 움직임을 계산하려면 복잡한 양자역학 계산 과정이 필요했지만 이를 수행하기에는 당시 컴퓨터의 성능이 턱없이 부족했다. 카 교수의 접근법을 적용한 성과가 35년이 지난 지금에서야 빛을 발할 수 있었던 이유다.

연구팀은 컴퓨터의 성능을 극대화하기 위해 AI 기술도 적용했다. 적은 숫자의 분자 계산을 딥러닝으로 반복 훈련시킨 결과 완성된 신경망은 양자역학 연산의 정확도로 원자 사이 힘을 계산할 수 있게 됐다. 딥러닝은 음성인식이나 자율주행차 같은 일상생활에도 많이 적용돼 있는 AI 기술이다.

연구팀은 적은 성능의 컴퓨터로도 30만 개 이상의 원자 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 효율을 높였다. 이후 오크리지국립연구소에 있는 슈퍼컴퓨터 '써밋'을 통해 얼음 핵 생성 시뮬레이션을 수행해 얼음이 핵을 만드는 과정을 분자 수준에서 들여다볼 수 있게 됐다. 카 교수는 "꿈이 실현된 것 같다"며 "AI와 데이터과학이라는 (화학과) 전혀 다른 분야를 통해 당시의 개념을 적용해 볼 수 있게 됐다"고 소감을 전했다.

파블로 데베네데티 미국 프린스턴대 공학 및 응용과학부 교수는 "얼음 핵 생성은 기상 예측 모델에서 잘 알려지지 않은 수량 중 하나"라며 "양자 계산을 통해 생각지 못했던 초대형 시스템까지도 시뮬레이션할 수 있게 됐다"고 말했다.

현재 기후 모델은 주로 실험실 관측 결과로부터 추정치를 얻는다. 반면 이 연구에서 수행된 분자 시뮬레이션은 미래 상황을 예측할 수도 있고, 다른 행성 같은 극한 온도나 압력 조건에서도 얼음이 형성되는 과정을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.

[이영애 기자 yalee@donga.com]