줄리아 (프로그래밍 언어)

1. 개요

줄리아는 2009년에 개발을 시작하여 2012년에 공개된 고수준의 프로그래밍 언어이다. 다중 디스패치를 지원하며 동적 타입 시스템과 C와 유사한 성능을 갖는 것이 특징이다. 패키지 관리자를 내장하고 있으며, Lisp와 유사한 매크로 및 메타프로그래밍 기능, 병렬 및 분산 컴퓨팅을 위한 설계를 제공한다. 줄리아는 수치 계산, 과학 기술 계산, 데이터 분석 등 다양한 분야에서 활용되며, MIT, 스탠퍼드 대학교 등 여러 대학과 아마존, IBM, NASA 등에서 사용된다.

2. 역사

줄리아는 제프 비잔슨, 스테판 카핀스키, 바이럴 B. 샤, 앨런 에델만이 2009년부터 개발을 시작하여 2012년 2월에 공식 웹사이트를 통해 공개한 프로그래밍 언어이다. 이들은 고수준이면서도 빠른 무료 언어를 만드는 것을 목표로 하였다. 2012년 4월 InfoWorld와의 인터뷰에서 카핀스키는 "줄리아"라는 이름에 대해 "정말 좋은 이유는 없습니다. 그냥 예쁜 이름인 것 같았습니다."라고 말했다.

줄리아의 구문은 2018년 버전 1.0 이후 안정적인 것으로 간주되며, 1.x 버전에 대한 하위 호환성을 보장한다. 0.7 이전 초기 개발 단계에서는 구문 및 의미가 새 버전에서 변경되었다.

2012년 1.0 버전 출시 이후 10년 동안 줄리아 커뮤니티는 크게 성장하여 1,180만 줄 이상의 코드(문서 및 테스트 포함)를 가진 패키지 생태계를 이루었다. 줄리아 사용자 및 개발자를 위한 연례 학술 회의인 JuliaCon은 2014년부터 매년 개최되고 있다. JuliaCon2020은 28,900명 이상의 고유 시청자를 기록했고, JuliaCon2021은 43,000명의 고유 시청자와 300개 이상의 프레젠테이션을 기록하며 이전 기록을 경신했다.

줄리아 공동 창립자 세 명은 "계산 과학 문제의 분석 및 해결을 가능하게 하는 고성능 도구 생성을 위한 혁신적인 환경인 줄리아를 만든 공로"로 2019년 제임스 H. 윌킨슨 수치 소프트웨어상을 수상했다. MIT 응용 수학 교수인 앨런 에델만은 "고성능 컴퓨팅, 선형 대수 및 계산 과학 분야의 뛰어난 혁신과 줄리아 프로그래밍 언어에 기여한 공로"로 2019년 IEEE 컴퓨터 소사이어티 시드니 페른바흐 상을 수상했다.

줄리아 0.7과 버전 1.0은 2018년 8월 8일에 출시되었다. 줄리아 1.6은 1.0 이후 가장 큰 릴리스였으며, 가장 오랫동안 장기 지원 (LTS) 버전이었다. 1.7 이후 줄리아 개발은 시간 기반 릴리스로 돌아갔다. 줄리아 1.7은 2021년 11월에 출시되었고, 줄리아 1.8은 2022년에, 1.9는 2023년 5월 7일에 출시되었다. 줄리아 1.10은 2023년 12월 25일에 출시되었으며, 1.11은 2024년 10월 7일에 출시되었다.

줄리아 언어는 2014년에 NumFOCUS의 재정 지원을 받는 프로젝트가 되었다. MIT 링컨 연구소, 고든 앤 베티 무어 재단, 알프레드 P. 슬론 재단, 인텔 등 여러 기관 및 재단에서 자금 지원을 받았다. 모질라는 2019년 상반기 연구 보조금으로 "줄리아를 브라우저에 적용"하는 프로젝트를 후원했다.

JuliaHub, Inc.(줄리아허브)는 2015년 비랄 B. 샤, 앨런 에델만 등에 의해 Julia Computing, Inc.(줄리아 컴퓨팅)으로 설립되었다. Julia Computing은 2017년, 2019년, 2021년, 그리고 2023년에 여러 차례 투자를 유치했다.

3. 언어 특징

줄리아는 다중 디스패치를 지원하는 범용 프로그래밍 언어로, 인수 유형의 조합에 따라 함수 동작을 정의할 수 있다. 동적 타입 시스템을 갖추고 있어 문서화, 최적화, 디스패치에 유용하며, C 언어와 같은 정적으로 타입이 지정된 언어에 근접한 성능을 보인다. 내장 패키지 관리자를 통해 편리하게 패키지를 관리할 수 있다.

Lisp와 같은 매크로 및 기타 메타프로그래밍 기능을 제공하며, 병렬 컴퓨팅 및 분산 컴퓨팅을 위해 설계되었다. 또한, 경량 그린 스레딩인 코루틴을 지원한다.

줄리아는 C, Fortran, Python, R, Java 등 다양한 언어의 코드를 호출하거나 해당 언어에서 줄리아 코드를 호출할 수 있을정도로 다른 언어와의 상호 운용성이 뛰어나다.

줄리아, 딜런, 포트리스의 언어 기능을 비교하면 다음과 같다.

3.1. 다른 언어와의 상호 운용성

줄리아는 `@ccall` 매크로를 사용하여 C 또는 포트란 언어 라이브러리를 호출하는 기능을 내장하고 있다. 파이썬, C++, 러스트, R, 자바 등 다른 언어에서 호출하거나 다른 언어를 호출할 수 있으며, SQL과 함께 사용할 수 있도록 추가 라이브러리를 활용할 수 있다.

줄리아는 실제로 사용되는 상위 20개 언어 대부분과 호환되는 등 다른 언어와의 상호 운용이 뛰어나다. C 또는 Fortran으로 작성된 공유 라이브러리 함수를 직접 호출할 수 있으며, Python (PythonCall.jl 사용), R, MATLAB, C# (DotNET.jl 및 JdotNET 사용), JavaScript, Java (JavaCall.jl을 사용한 Scala 등 다른 JVM 언어)와 같이 C로 내보낸 함수를 직접 제공하지 않는 다른 언어를 호출하는 패키지도 제공된다. 또한 Python, R (Julia 1.10.x부터 가능), Rust, Ruby, C# 등 다른 언어에서 줄리아를 호출할 수 있는 패키지도 있다. Python에서 호출하기 위한 juliacall (PythonCall.jl의 일부)과 R에서 Julia 1.10.x까지 호출하기 위한 JuliaCall 패키지가 있다.

C 언어의 printf 함수를 호출하는 예는 다음과 같다.

@ccall printf("Hello, World!\n"::Cstring)::Cvoid


파이썬은 동적 타입 지정 프로그래밍 언어로서 유사점이 많아 상호 운용이 쉽다. 그러나 NumPy는 C 언어처럼 행 중심(row-major) 방식이고 배열 인덱스가 0부터 시작하지만, 줄리아는 포트란과 같이 열 중심(column-major) 방식이고 배열 인덱스가 1부터 시작한다는 차이점이 있다. 다음은 줄리아에서 PythonCall을 사용한 예이다.

using PythonCall
np = pyimport("numpy")
print(np.array([1, 2, 3], dtype=np.float32))


마찬가지로 JuliaCall을 통해 파이썬에서 줄리아를 호출할 수도 있다. 줄리아는 계산 속도가 빠르므로 계산량이 많은 부분만 줄리아에서 계산하도록 할 수 있다. 다음은 파이썬에서 JuliaCall을 사용한 예시로, 줄리아의 다차원 배열과 NumPy를 조합하여 사용하고 있다.

from juliacall import Main as jl
import numpy as np
np.array(jl.rand(range(10), 3, 5))


줄리아는 HTML (및 HTTP용), XML, JSON, BSON 등 마크업 언어와 데이터베이스 (PostgreSQL, Mongo, Oracle, TimesTen 포함, MySQL, SQLite, Microsoft SQL Server, Amazon Redshift, Vertica, ODBC) 및 웹 사용을 지원하는 패키지를 가지고 있다.

4. 패키지 시스템

줄리아는 내장된 패키지 관리자를 가지고 있으며 기본 레지스트리 시스템을 포함한다. 패키지는 GitHub에 호스팅된 소스 코드로 배포되는 경우가 가장 많지만, 다른 대안도 마찬가지로 사용할 수 있다. 패키지는 또한 아티팩트를 사용하여 바이너리 형태로 설치할 수 있다. 줄리아의 패키지 관리자는 패키지를 쿼리하고 컴파일하는 데 사용되며, 환경을 관리하는 데에도 사용된다. 페더레이션된 패키지 레지스트리가 지원되므로, 공식 레지스트리 외에 다른 레지스트리를 로컬로 추가할 수 있다.

5. 구현

줄리아의 핵심은 줄리아, C 언어, LLVM 종속성을 위한 C++로 구현되었다. 코드 파싱, 코드 로어링 및 부트스트래핑은 1.10 버전까지 Scheme 방언인 FemtoLisp로 구현되었다. 1.10 버전부터는 파싱에 새로운 순수 줄리아 표준 라이브러리(stdlib) 패키지 JuliaSyntax.jl을 사용하여 속도를 개선하고 "다양한 경우의 파서 오류 메시지를 크게 개선"했다. LLVM 컴파일러 인프라 프로젝트는 일반적으로 사용되는 모든 플랫폼에 대한 최적화된 기계어 코드를 생성하기 위한 백엔드로 사용된다. 일부 예외를 제외하고 표준 라이브러리는 줄리아로 구현된다.

줄리아는 네 가지 지원 계층을 가지고 있다.

6. 활용 분야

Julia는 다른 프로그래밍 언어와의 상호 운용이 뛰어나 C, Fortran, Python, R, MATLAB, C#, JavaScript, Java 등 다양한 언어와 함께 사용될 수 있다. 또한 VHDL로 컴파일되거나 FPGA와 같은 고수준 합성 도구에도 사용되는 등 하드웨어 분야에서도 활용된다.

Julia는 HTML, XML, JSON 등 마크업 언어와 데이터베이스 (PostgreSQL, Mongo, Oracle, MySQL, SQLite, Microsoft SQL Server, Amazon Redshift, Vertica, ODBC)를 지원하는 패키지를 통해 웹 프로그래밍 및 데이터 처리에도 사용된다.

6.1. 국내외 주요 활용 사례

Julia는 MIT, 스탠퍼드, UC 버클리 등 여러 대학교에서 채택되었다. 아마존, IBM, JP모건 AI 연구, ASML을 포함한 다양한 분야의 대형 사기업들이 이 언어를 채택했다. 또한 NASA와 FAA를 비롯한 정부 기관과 모든 미국 국립 에너지 연구소에서도 사용되고 있다.

* 아마존(Amazon)은 양자 컴퓨팅 및 머신 러닝을 위해 아마존 세이지메이커(Amazon SageMaker)를 사용한다.
* ASML(ASML Holding)은 자사의 장비를 이용한 하드 실시간 프로그래밍에 사용한다.
* 기후 변화 모델링을 위해 The Climate Modeling Alliance를 사용한다.
* CERN은 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHCb 실험)에서 발생하는 데이터를 분석하는 데 사용한다.
* NASA과 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)는 줄리아를 사용하여 우주선 분리 역학을 모델링하고, TRAPPIST 외계 행성 데이터 세트를 분석하고, 빅뱅에서 발생한 우주 마이크로파 배경 데이터를 분석한다.
* 브라질 국립 우주 연구소(INPE)는 우주 임무 및 위성 시뮬레이션에 사용한다.
* 자율적인 미국 공군 연구소 VTOL 무인 항공기 시스템 드론의 비행을 계획하고 실행하기 위한 임베디드 시스템 하드웨어에 사용한다.
* 모더나(Moderna), 화이자(Pfizer), 아스트라제네카(AstraZeneca) 등 제약 산업에서 약물 개발에 널리 사용된다.
* 2015년부터 줄리아를 사용하여 거시 경제 모델링을 하는 뉴욕 연방 준비 은행은 2021년 코로나19 충격 추정치를 포함한다.
* 거시 경제 모델링을 위한 캐나다 중앙 은행, 중앙 은행
* 세계 최대 자산 운용사인 블랙록은 금융 시계열 분석에 사용한다.
* 영국 최대의 일반 보험사인 아비바는 보험 수리 계산에 사용한다.
* 미트르 코퍼레이션은 발표된 선거 결과의 검증에 사용한다.
* 노벨상 수상자 토마스 J. 서전트는 거시 계량 경제학 모델링에 사용한다.

7. 코드 예제

줄리아 공식 배포판은 줄리아의 REPL 통신 세션 셸을 포함하고 있으며, 테스트 코드를 빠르게 실험하기 위해 사용할 수 있다. 다음은 샘플 세션 예제의 하나로서, 문자열들은 `printLn`에 의해 자동으로 이어붙여진다.

```julia
julia> p(x) = 2x^2 + 1; f(x, y) = 1 + 2p(x)y
julia> println("Hello world!", " I'm on cloud ", f(0, 4), " as Julia supports recognizable syntax!")
Hello world! I'm on cloud 9 as Julia supports recognizable syntax!
```

Julia에서는 Hello world를 다음과 같이 작성한다.

```julia
println("Hello, World!")
```

다음 코드는 줄리아(Julia)로 작성된 행렬 A, B의 행렬곱이다.

```julia
A = randn(10, 10)
B = randn(10, 10)
C = A * B
```

이처럼 MATLAB이나 Python 라이브러리인 NumPy 등과 마찬가지로 간결하게 수학적 연산을 표현할 수 있으며, 행렬곱의 경우 단순히 BLAS 라이브러리(기본값은 OpenBLAS)를 호출할 뿐이지만, 행렬곱을 포함한 많은 기능이 C 언어나 Fortran과 비슷한 속도로 동작한다.