올여름, 과학자들은 지구 너머 생명체의 흔적을 찾고자 첨단 장비를 동원했습니다.
SETI 연구소의 연구원들은 우주에서 오는 희미한 전파 신호를 실시간으로 직접 감지하기 위해 세계 최초로 AI를 적용했는데요. 이러한 천문학의 발전은 가속 컴퓨팅과 AI를 적용하는 모든 분야에서 활용될 수 있습니다.
“우리는 스트리밍 천문 데이터를 분석하는 완전히 다른 방식의 정점에 서 있으며, 이를 통해 발견할 수 있는 것들은 매우 놀라울 것입니다.”라고 1984년에 설립되어 현재 120명 이상의 과학자가 참여하고 있는 SETI 연구소의 Bernard M. Oliver SETI 의장인 Andrew Siemion은 말합니다.
SETI 연구소는 캘리포니아 북부에 있는 Allen 망원경 관측소(위 사진)를 운영하고 있습니다. 이 망원경은 외계 지적 생명체(SETI) 탐색과 고속 전파 폭발과 같은 흥미로운 일시적 천문 현상을 연구하는 데 사용되는 최첨단 망원경입니다.
태동하는 인공지능
이 최신 프로젝트의 씨앗은 10여 년 전에 심어졌습니다. Siemion은 버클리 캘리포니아 대학교에서 열린 강연에서 그의 팀이 심우주에서 수집한 것과 같은 전파 신호를 분석하는 분류기인 머신 러닝의 초기 버전에 대해 들었습니다.
Berkeley에서 천체물리학 박사 학위를 받은 Siemion은 강연에 참석한 후 다음과 같이 말했습니다. “정말 감명을 받았고 당시 SETI 연구자들이 신호를 감지하는 방식이 다소 순진하다는 것을 깨달았습니다.”
그 후 연구자들은 천문학 분야 외의 컨퍼런스에서 전파 전문가들과 교류하기 시작했으며 NVIDIA에서 개발자 그룹을 이끌고 있는 Adam Thompson을 만나 여러 이야기를 나누었습니다.
“우리는 높은 데이터 속도로 우주에서 매우 넓은 대역폭의 신호를 검색하는 데 따르는 어려움을 설명했습니다.”라고 Siemion은 말했습니다.
SETI 연구소의 연구원들은 수년 동안 NVIDIA GPU를 사용해 신호를 배경 소음에서 분리하는 알고리즘을 가속하였으며. 이제 알고리즘의 잠재력으로 더 많은 일을 할 수 있음을 확신했습니다.
데모에서 파일럿으로
코로나바이러스 팬데믹으로 인해 지연이 생겼지만, 올해 초 Thompson은 과학 기기의 실시간 데이터를 처리하는 센서 처리 플랫폼인 NVIDIA Holoscan이라는 새로운 제품을 Siemion의 팀에 소개했습니다.
Siemion의 팀은 성공할 경우 SETI 연구소의 업무 방식을 근본적으로 바꿀 수 있다고 판단하여 NVIDIA IGX 엣지 컴퓨팅 플랫폼에서 Holoscan으로 시험 애플리케이션을 구축하기로 결정했습니다.
이 연구소는 옥스퍼드 대학에 본부를 둔 또 다른 SETI 연구 프로그램인 Breakthrough Listen과 협력하여 수십 대의 전파 망원경을 사용하여 방대한 양의 데이터를 수집 및 저장하고 나중에 GPU를 사용하여 별도의 프로세스에서 분석합니다. 각 망원경과 분석에는 별도의 맞춤형 프로그램이 사용됩니다.
“우리는 우리의 역량을 한 단계 더 발전시킬 수 있는 무언가를 만들고 싶었습니다.”라고 Siemion은 말합니다. “보다 일반적인 방식으로 망원경에서 실시간 데이터를 가져와 GPU로 직접 가져와서 AI 추론을 수행하는 스트리밍 솔루션을 구상했습니다.”
별을 가리키다
SETI 연구소의 직원 엔지니어인 Luigi Cruz는 Holoscan SDK를 사용하여 실시간 데이터 수신 및 추론 파이프라인을 개발했으며, Breakthrough Listen의 협력자인 Peter Ma는 천문학자들이 관측하는 많은 전파 현상 중 하나인 고속 전파 폭발을 감지하기 위해 AI 모델을 구축하고 훈련했습니다. 앨런 망원경 어레이 프로젝트 과학자인 Wael Farah는 이 연구의 과학적 측면에 핵심적인 기여를 했습니다.
이들은 NVIDIA IGX Orin 플랫폼에서 실행되는 실시간 Holoscan 파이프라인을 크랩 성운을 향하는 28개의 안테나와 연결했습니다. 15시간에 걸쳐 5GHz 스펙트럼의 신호에서 900억 개 이상의 데이터 패킷을 수집했습니다.
이 시스템은 천문학자들이 이전에 달성했던 속도의 두 배에 달하는 100Gbps에 가까운 데이터를 실시간으로 캡처하고 분석했습니다. 또한 모든 종류의 신호를 감지하기 위해 동일한 코드를 모든 망원경에 사용할 수 있다는 사실도 확인했습니다.
‘마법 같은 기술’
Siemion은 이 테스트가 “환상적으로 성공적이었다”고 말합니다. “망원경의 모든 데이터를 AI에 이상적으로 적합한 가속화된 컴퓨터로 가져올 수 있는 마법 주문을 얻은 것과 같기 때문에 전파 천문학에 대한 Holoscan의 혁신적 잠재력은 아무리 과장해도 지나치지 않습니다.”라고 그는 말합니다.
그는 NVIDIA GPU의 직접 메모리 액세스를 “게임 체인저”라고 불렀습니다.
연구소의 연구원들은 과거처럼 더 효율적인 처리를 위해 데이터의 일부를 버리지 않고 모든 데이터를 보관하고 빠르게 분석할 수 있습니다.
“이것은 전파 천문학이 수행되는 방식에 중대한 변화입니다.”라고 그는 말합니다. “이제 우리는 스마트 AI 소프트웨어를 통해 망원경을 매우 다른 방식으로 사용할 수 있는 길을 열었으며, 확장 가능한 방식으로 이를 수행한다면 발견의 기회는 무궁무진할 것입니다.”
파일럿 확장
이 팀은 파일럿 소프트웨어를 확장하여 현재 12개 사이트에서 사용하는 모든 전파 망원경에 배포할 계획입니다. 또한 전 세계 천문학자들과 협력하여 이 기능을 공유하는 것을 목표로 하고 있습니다.
“우리의 의도는 수천 명의 사용자와 사용처가 있는 대규모 국제 천문대에 이를 도입하는 것입니다.”라고 Siemion은 말합니다.
이 파트너십은 현재 건설 중인 전 세계에 분산 배치된 망원경 어레이로 확장되어 우주 연구자들이 감지할 수 있는 신호의 종류를 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대됩니다.
광범위한 기술 공유
협업은 그가 Breakthrough Listen의 수석 연구원이 된 2015년부터 Siemion에게 큰 주제였습니다.
그는 현지 천문학자들을 만나고 있던 네덜란드에서 진행한 화상 인터뷰에서 “우리는 찾을 수 있는 사람이라면 누구와도 적극적으로 협업합니다.”라고 말했습니다.
NVIDIA와의 협력은 기술 및 과학 분야 전반에 걸쳐 기업과 정부가 참여하는 노력의 일부일 뿐입니다.
“NVIDIA의 엔지니어링 인재는 세계 최고 수준입니다… Adam과 Holoscan 팀에 대해서는 아무리 말해도 지나치지 않습니다.”라고 그는 말했습니다.
이 소프트웨어는 기술 협업을 위한 큰 문을 열어줍니다.
“Holoscan을 통해 상호 보완적인 기술을 가진 천문학 분야보다 훨씬 더 큰 개발자 커뮤니티를 활용할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “예를 들어 암 알고리즘이 새로운 천문학적 소스를 찾기 위해 용도를 변경할 수 있는지, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지일지 지켜보는 것은 흥미로울 것입니다.”
NVIDIA와 그 고객들은 모두의 이익을 위해 AI를 발전시키고 있습니다.