<div>안녕하세요, </div> <div>며칠 전에 포트란 유저분께서 포트란 유저를 찾으시는 글을 올리셨기에 존재감을 드러내고자 </div> <div>재미있는 (이라고 쓰고 콜로세우미라고 읽는) <span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">수치실험 (벤치마크?일까요?)을 해보았습니다. </span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"><br></span></div> <div>이번에 테스트한 시뮬레이션은 분자동역학법 시뮬레이션이라 불리는 입자운동해석방법의 한가지 입니다. </div> <div>쉽게 생각해서 분자들끼리의 상호작용 (힘의 합력, 고딩 물리시간에 알짜힘이라 하죠) 을 구한 후, </div> <div>분자들에 대해서 뉴튼의 운동방정식, F=ma 라는 연립미분방정식을 수치적으로 풀어주는 물리시뮬레이션입니다. </div> <div>가장 부하가 큰 부분이 위에서 언급한 상호작용 계산방법입니다만 이론상으로는 O(N^2) 이지만</div> <div>여러가지 근사및 기술을 이용하면 어느 정도 부하를 줄일 수 있습니다. </div> <div>그 다음 수치적으로 미분방정식을 풀어주게 되는데 이 때는 차분식을 이용하여 수치적분을 해줍니다. </div> <div>(개구리가 폴짝폴짝 뛰는 leap-frog 라는 알고리즘을 사용했습니다.)</div> <div><br></div> <div>분자동역학에 대해서 더 알고 싶으신 분들은 구글선생님께 물어보세요. </div> <div>(다음 링크를 누르시면 검색할 수 있습니다 <a target="_blank" href="http://lmgtfy.com/?q=%EB%B6%84%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%97%AD%ED%95%99" target="_blank">http://lmgtfy.com/?q=%EB%B6%84%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%97%AD%ED%95%99</a>)</div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"><br></span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">분자동역학에 대한 설명은 이 정도로 하구요,  이번 시뮬레이션의 실행에 있어서</span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"> 몇 가지 중요한 사항을 언급하겠습니다.</span></div> <div><br></div> <div>1. 실험의 독립변수는 프로그래밍언어만 되도록 최대한 노력하였습니다. </div> <div>* 사용한 계산기성능 : Intel Xeon E7-8870, 2.4GHz 10 cores (OS: CentOS), 계산에는 각각 1코어씩 사용했습니다.</div> <div>* 컴파일러 : intel compiler (ifort / icc)</div> <div>* 컴파일 옵션 : -O3 (최적화옵션)</div> <div><br></div> <div>2. 포트란으로 되어 있던 샘플코드를 그대로 C로 번역하여 실행시켰습니다. </div> <div>그렇게 큰 프로그램이 아닌 관계로 (약 480줄)</div> <div>포트란과 C 둘다 메인함수에 모조리 기능을 다 집어 넣었습니다. (인라인전개) </div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">C언어의 경우에는 주석을 달지 않았기 때문에 실제로는 많이 적게 나왔습니다만, </span></div> <div>주석까지 포함할 경우에는 거의 동일한 길이의 코드가 되지 않을까 생각합니다. </div> <div><br></div> <div>* 포트란으로 되어 있던 코드를 C로 번역하였다는 내용이 사실 가장 논란의 여지가 있는 부분이라고는 생각합니다. </div> <div>하지만 그렇게 복잡한 알고리즘 (2중루프) 도 아니고 단지 반복문을 do에서 for로 바꾼 정도이기 때문에 </div> <div>개인적으로는 크게 문제 없다고는 생각하고 있습니다. </div> <div>한가지 걱정되는 것은 C의 경우 구조체 선언을 하였는데 그게 성능에 영향을 줄지 안 줄지 잘 모르기 때문에 그 부분이 유일하게 마음에 걸립니다. </div> <div>문제가 된다면 전체코드를 공개하겠습니다. </div> <div><br></div> <div>3. 캐시미스가 나지 않도록 최대한 노력하였습니다. (성능에 직결되는 부분이므로)</div> <div>즉, 행 우선이냐 열 우선이냐를 최대한 지켰습니다. </div> <div><br></div> <div>* 2차원 배열에서의 캐시미스를 방지하는 방법</div> <div>C: Row-major order (열 우선)</div> <div> <div>    for(i=0;i<N1;i++) </div> <div>        for(j=0;j<N2;j++)</div> <div>            arr[i][j]=(...)</div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"></span> <div style="text-align:left;"><br></div> <div style="text-align:left;"> <div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">Fortran: Column-major order (행 우선)</span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">    do j=1,n2,1</span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">    </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">   </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"> do i=1,n1,1</span></div></div> <div>    <span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">   </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"> </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">   </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"> arr(i,j)=(...)</span></div> <div>    <span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">   </span><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"> end do</span></div> <div>    end do</div> <div><br></div> <div>4. 그 외 시뮬레이션의 물리조건 (흔히 말하는 미분방정식의 초기조건과 경계조건) 은 거의 동일합니다. </div> <div>거의를 사용한 이유는 실제로 난수를 이용하여 초기속도조건을 정했는데 </div> <div>굳이 일치하지 않더라도 계산을 진행하는데 있어서는 크게 무리가 없기 때문입니다. </div> <div>초기속도조건 이외의 모든 조건은 일치합니다. </div> <div><br></div> <div>* 물리조건</div> <div>분자: 아르곤 8000개</div> <div>온도: 85 K (영하 188도)</div> <div>경계조건: 주기경계조건</div> <div><br></div> <div>밑에 그림이 초기배치이구요. (초록색이 C, 빨간색이 포트란 입니다)</div> <div><br></div></div> <div style="text-align:left;"><img src="http://thimg.todayhumor.co.kr/upfile/201410/1412609507n1pBi4cVLLcyNtVvJ5jexRAlZtsLK.png" width="800" height="400" alt="0001.png" class="chimg_photo" style="border:none;"></div> <div style="text-align:left;"><br></div> <div style="text-align:left;">20만스텝 (스샷에 나와있는 1000 ps = 1 ns = 10^-9 초) 계산 후의 결과 입니다. </div> <div style="text-align:left;"><br></div> <div style="text-align:left;"><img src="http://thimg.todayhumor.co.kr/upfile/201410/1412609509OwXp34p9wRM.png" width="800" height="400" alt="1001.png" class="chimg_photo" style="border:none;"></div></div></div><br><div>그리고 그 중간 과정 (동영상) 입니다. </div> <div><br></div><iframe width="560" height="315" src="//www.youtube.com/embed/tPBlC801ER8" frameborder="0"></iframe> <div><br></div> <div>(모바일 배려: <a target="_blank" href="http://youtu.be/tPBlC801ER8" target="_blank">http://youtu.be/tPBlC801ER8</a>)</div> <div><br></div> <div>일단 동영상을 보니 크게 문제는 없는 것 같습니다. </div> <div>자 그럼 이 모든 결과를 얻는데 걸린 시간을 한번 보겠습니다. </div> <div><br></div> <div>포트란: 3.81 시간</div> <div>C: 7.02 시간</div> <div><br></div> <div>약 1.84 배 가까운 차이가 났습니다. </div> <div>사실 생각보다 차이가 많이 나서 조금 놀랬습니다. 포트란이 빠를거라고는 예상을 하고 있었지만 이만큼 차이가 날 줄은 몰랐네요. </div> <div></div> <div>일단 이만큼 차이가 나게 된 원인을 곰곰히 생각해 봤는데요, </div> <div>1. 컴파일러의 성능차이? </div> <div>그래서 별도로 gcc 컴파일러로도 계산을 해봤습니다만 결과는 비슷했습니다. </div> <div>다만 인텔컴파일러보다는 시간이 좀 더 걸렸지만요. </div> <div>(다른 워크스테이션을 이용했기 때문에 절대적인 비교는 불가능하지만 CPU 성능 자체는 더 좋았기 때문에 계산이 느리다고는 말할 수 있습니다.)</div> <div><br></div> <div>2. 구조체 사용과 미사용?</div> <div>위에서도 언급하였지만 구조체의 사용 유무가 성능에 영향을 주었을지도 모르겠습니다만, </div> <div>이 정도까지 느려지는지는 잘 모르겠습니다. </div> <div><br></div> <div>3. C언어에 최적화 되지 않은 알고리즘?</div> <div>일단 기본적으로 완전이 똑같은 알고리즘대로 계산을 하기 때문에 둘다 조건자체는 똑같습니다. </div> <div>그렇기 때문에 이 알고리즘으로 문제를 해결하는데에는 적어도 C보다 포트란이 우수하다라고 말씀드릴 수 있습니다. </div> <div>참고로 외부함수를 불러들이는 것이 C의 경우 많은 시간을 잡아먹기 때문에 </div> <div>일부러 인라인 전개를 통해서 main함수에 모든 계산을 집어넣었고, 그로 인한 손실은 거의 없다고 할 수 있습니다. </div> <div>(도중에 sqrt()함수를 몇번 사용했는데, 그게 설마 성능에 영향을 끼쳤을까요?)</div> <div><br></div> <div>결국은 저도 뚜렷한 이유를 찾지는 못했습니다. (사실 그렇기 때문에 저보다 C를 잘 아시는 분들이 많은 여기에 글을 쓰게 되었지요.)</div> <div><br></div> <div>일단 제가 결론을 내리자면 <span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">분자동역학법 등과 같이 특정한 알고리즘에 있어서 </span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">포트란이 C보다 월등히 빠른 계산능력을 보여준다는 것을 확인할 수 있었습니다. </span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"><br></span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">물론 포트란도 여러 단점들이 있습니다. </span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">가독성이 떨어진다든지, (국내 한정으로) 사용자가 얼마 없어서 배우기 힘들다든지, 범용성이 떨어진다든지 등등 있지만</span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;">적어도 수치해석, 특히 어느정도 규모가 있는 수치해석의 경우에는 C보다 포트란을 사용하는 것이 더 좋을지도 모르겠습니다. </span></div> <div><span style="font-size:9pt;line-height:1.5;"><br></span></div> <div>특히 슈퍼컴퓨터나 클러스터 등에서 이용하는 MPI (Message Passing Interface)의 경우에는 C아니면 포트란이니까요. </div> <div>수치해석을 앞으로 전문적으로 하고 싶다 하시는 분들에게는 포트란을 한번쯤 배워보시는 것을 권유해봅니다. </div> <div><br></div> <div>질문 있으시면 댓글 남겨주시구요, </div> <div>읽어주셔서 고맙습니다. </div>