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계산과학

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목차

1. 개요

계산과학은 컴퓨터를 활용하여 과학적 문제를 해결하는 학문 분야이다. 미국에서는 1991년 고성능 계산 및 통신 분야를 진흥하는 법안 제정 이후 계산과학 교육이 활성화되었으며, 한국에서도 2000년대 초반부터 관련 학과 및 협동 과정이 설립되었다. 계산과학은 수치해석, 컴퓨터 알고리즘, 정보의 통계적 처리 등 다양한 방법론을 활용하며, 과학적 계산, 모의실험, 모델링, 시각화, 정보 분석 등을 수행한다. 계산 과학자는 고성능 컴퓨팅을 활용하여 복잡한 문제를 해결하고 시스템을 모델링하며, 시뮬레이션 결과를 검증하는 역할을 한다. 계산 과학은 물리학, 화학, 생물학, 공학 등 다양한 분야에 응용되며, 예측 계산 과학, 도시 복잡계 시스템, 계산 금융, 계산 생물학 등 세부 분야로 나뉜다. 관련 학회로는 국제 계산 과학 컨퍼런스(ICCS), 산업 및 응용 수학회(SIAM), 계산기 협회(ACM) 등이 있으며, 계산 과학 저널(Journal of Computational Science)과 같은 학술지가 발간되고 있다.

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계산과학
지도
기본 정보
분야과학, 공학
관련 학문응용 수학, 수치 해석, 컴퓨터 과학, 통계학
목적 및 방법
목표과학적 문제 해결 및 연구
방법수학적 모델링, 수치 해석, 시뮬레이션
주요 도구고성능 컴퓨터, 컴퓨터 프로그램, 알고리즘
응용 분야
과학물리학, 화학, 생물학, 지구과학, 천문학
공학기계 공학, 전기 공학, 항공 우주 공학, 토목 공학, 화학 공학
기타금융 공학, 기상학, 의학
관련 기술
주요 기술병렬 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅, 데이터 시각화
프로그래밍 언어Fortran, C, C++, Python, MATLAB
역사
발전 배경컴퓨터 성능 향상 및 수치 해석 방법 발전
주요 발전 단계초기 단계: 간단한 수치 계산
중기 단계: 복잡한 시뮬레이션
현재 단계: 빅 데이터 분석 및 인공지능 활용
주요 학회 및 저널

2. 역사

계산과학은 컴퓨터 과학의 관련 분야로 간주되기도 하지만, 큰 차이점도 존재한다. 컴퓨터 과학이 응용과는 독립적으로 컴퓨터의 이론이나 실제를 다루는 반면, 계산과학은 실제 수와 현실 대상을 모델화하여 수치 해석과 같은 방법을 사용한다.

과학자와 기술자는 대상 영역을 모델화한 프로그램이나 응용 소프트웨어를 개발하고, 다양한 파라미터를 부여하여 실행한다. 이러한 모델은 대량의 연산을 필요로 하며, 슈퍼컴퓨터나 분산 컴퓨팅 환경에서 실행되는 경우가 많다.

수치 해석은 계산과학의 중요한 방법 중 하나이며[71][72], 수치 시뮬레이션은 문제의 성질에 따라 다음과 같은 목적으로 사용된다.


  • 기존 사건을 재구성하여 이해 (예: 지진, 쓰나미 등 자연 재해)
  • 기존 시나리오 최적화 (예: 공학적 프로세스나 산업 프로세스)
  • 미래 또는 미지의 상황 예측 (예: 기상, 원자 레벨 이하 입자의 움직임)


계산과학 응용 프로그램은 실제 세계의 조건을 변경하여 모델화한다. 예를 들어 기상, 비행기 주변 기류, 자동차 충돌 시 차체 상황, 은하계 별들의 움직임, 폭발물 등이 있다. 이러한 프로그램은 컴퓨터 메모리 내에 논리적 메쉬(그물)를 형성하고, 각 영역이 실제 세계 모델의 공간적인 부분을 나타내도록 한다. 프로그램은 시뮬레이션 시간 간격에 따라 현재 상태를 기반으로 모델화된 방정식을 풀어 다음 상태를 계산한다.

"계산 과학자"는 과학 기술 계산에 뛰어난 사람을 의미하며, 일반적으로 과학자, 기술자, 응용 수학자인 경우가 많다. 이들은 고성능 컴퓨터를 이용하여 물리학, 화학, 공학 등 대상 영역의 최첨단 이론을 검증하며, 경제학, 생물학, 의학에도 계산과학을 적용한다.

2. 1. 미국

앨 고어 상원의원(미국 부통령 역임, 노벨상 수상자)이 1991년 12월 HPCA법령 (High Performance Computing and Communication Act of 1991: [https://en.wikipedia.org/wiki/High_Performance_Computing_and_Communication_Act_of_1991])을 제정하여 고성능 계산과 통신 분야의 획기적인 진흥을 마련하였다. 이에 따라 주요 대학에 계산과학 협동과정이 설립되기 시작하여 계산과학을 중점적으로 육성하기 시작한다. 미국, 유럽 등의 계산과학 교육현황은 미국산업및응용수학회의 홈페이지 ([http://www.siam.org/students/resources/report.php])에서 확인할 수 있다.

2. 2. 한국

한국에서는 2004년에 서울대학교 대학원에 계산과학협동과정이 설립되었고, 2008년 세계 수준의 연구중심대학(WCU) 프로그램으로 연세대학교에 계산과학공학과가 개설되었다. 2011년에는 서울대학교에 최초의 학사 학위 과정인 연합전공 계산과학이 신설되었다. 이화여자대학교에도 학부에 계산과학 연계전공이 개설되어 있다.

과학기술진흥기구, 전국 공동 이용 시설 대형 계산기 센터, 쓰쿠바 대학교, 도쿄공업대학, 고에너지 가속기 연구 기구 등 여러 기관에서 계산과학 연구를 진행하고 있다.

2. 3. 기타 국가

앨 고어가 1991년 HPCA법령([https://en.wikipedia.org/wiki/High_Performance_Computing_and_Communication_Act_of_1991])을 제정하여 고성능 계산 및 통신 분야 발전을 이끌었던 미국처럼, 유럽 등 다른 국가에서도 계산과학 교육이 이루어지고 있다. 미국, 유럽 등의 계산과학 교육 현황은 미국산업및응용수학회 홈페이지([http://www.siam.org/students/resources/report.php])에서 확인할 수 있다.

3. 계산 과학자

계산과학자라는 용어는 과학적 계산에 능숙한 사람을 지칭한다. 이들은 일반적으로 과학자, 엔지니어 또는 응용 수학자이며, 물리학, 화학, 공학 등의 응용 분야에서 첨단 기술 발전을 위해 다양한 방식으로 고성능 컴퓨팅을 적용한다.[2]

계산 과학은 실험/관찰 및 이론을 보완하고 추가하는 과학의 세 번째 방법으로 간주된다.[2] 계산 과학자는 복잡한 문제를 인식하고, 이를 포함하는 시스템을 개념화하며, 시스템 연구에 적합한 알고리즘 프레임워크를 설계하고, 적절한 컴퓨팅 인프라를 선택하여 시뮬레이션의 계산 능력을 최대화해야 한다. 또한, 시뮬레이션 출력을 평가하여 모델을 검증하고, 필요에 따라 시스템 개념화를 조정하는 과정을 반복하여, 연구 조건에서 시스템에 대한 적절한 결과를 생성하는지 확인해야 한다.[5]

계산과학은 컴퓨터 과학과 관련된 분야이지만, 큰 차이점도 있다. 컴퓨터 과학은 응용과는 독립적으로 컴퓨터의 이론이나 실제를 다루기도 하며, 이론 컴퓨터 과학 등에서는 대상이 되는 컴퓨터 자체가 이론적인 존재일 수도 있다. 또한 데이터 처리 등 수치 계산을 수반하지 않는 분야도 있다. 반면에 계산과학은 수치 해석처럼 실제 수를 대상으로 하며, 물리 현상 등과 같은 현실의 대상을 모델화한다.

과학자나 기술자는 대상 영역을 모델화한 프로그램이나 응용 소프트웨어를 개발하고, 다양한 파라미터를 부여하여 실행한다. 이러한 모델은 대량의 연산을 필요로 하며, 슈퍼컴퓨터나 분산 컴퓨팅 환경에서 실행되는 경우가 많다. 고성능 계산은 계산 과학의 중요한 분야이다.[59][60][61][62]

수치 해석(정도 보증 부착 수치 계산[63][64][65][66], 수치 선형 대수[59], 상미분 방정식의 수치 해법[67], 편미분 방정식의 수치 해법[68][69], 수치 적분[70] 등)은 계산과학의 중요한 수단 중 하나이다.[71][72]

3. 1. 복잡계 문제 해결

계산과학은 실제 적용에 있어 응용 분야에 따라 다양한 모습을 보이지만, 공통적으로 수치해석 등 수학적 방법론, 컴퓨터 알고리즘, 정보의 통계적 처리에 관한 기본 지식을 바탕으로 한다. 초고속 대용량 계산, 모의실험(simulation), 모형화(modeling), 시각화(visualization), 정보 분석(data analysis) 등 새로운 계산 방법을 필요로 하며, 이러한 방법론과 개별 과학 및 공학의 결합은 종합적, 학제적 성격을 띤다.

복잡계 문제를 해결하기 위해서는 복잡한 문제를 인식하고 개념화하는 능력, 시스템 연구에 적합한 알고리즘 프레임워크 설계 능력(시뮬레이션), 적절한 컴퓨팅 인프라(병렬 컴퓨팅, 그리드 컴퓨팅, 슈퍼컴퓨터) 선택 능력, 시뮬레이션의 계산 능력을 최대화하고 모델을 검증하며 시스템 개념화를 조정하는 능력이 필요하다.

4. 과학적 방법으로서의 계산 과학

시스템 연구 방법


계산 과학은 실험/관찰 및 이론을 보완하고 추가하는 과학의 세 번째 방법으로 간주되기도 한다.[2] 여기서 시스템은 데이터의 잠재적 소스,[3] 실험은 입력을 통해 시스템에 영향을 주어 시스템에서 데이터를 추출하는 과정,[4] 그리고 시스템(''S'')과 실험(''E'')에 대한 모델(''M'')은 ''S''에 대한 질문에 답하기 위해 ''E''를 적용할 수 있는 모든 것으로 정의한다.[5]

계산 과학자들은 복잡한 문제를 인식하고, 시스템을 개념화하며, 시뮬레이션을 위한 알고리즘 프레임워크를 설계하고, 적절한 컴퓨팅 인프라를 선택하여, 시뮬레이션의 계산 능력을 최대화해야 한다. 또한 시뮬레이션 출력이 시스템과 얼마나 유사한지 평가하고, 모델을 검증하며, 필요에 따라 시스템 개념화를 조정하는 과정을 반복한다.[5]

과학 철학자들은 계산 과학이 어느 정도 과학으로 간주되는지에 대한 질문을 제기해왔다.[7][8] 이들은 컴퓨터 기반 시뮬레이션 연구의 인식론적 제약에 대해 논의하며, 모델링(이론 구축)과 시뮬레이션(구현 및 실행)을 적용하는 계산 과학이 지식과 이해를 표현하는 정교한 방법이지만, 계산 솔루션의 제약과 한계도 따른다는 점을 지적한다.

스티븐 울프럼이나 위르겐 슈미트후버 등은 계산 과학이 과학적 방법의 한 형태라고 주장한다.[73]

5. 주요 방법론 및 알고리즘

계산과학은 응용 분야에 따라 다양한 모습을 보이지만, 공통적으로 수치해석, 컴퓨터 알고리즘, 정보의 통계적 처리 등에 관한 지식을 바탕으로 한다.[59][60][61][62] 초고속 대용량 계산, 모의실험(시뮬레이션), 모형화(모델링), 시각화, 정보 분석(데이터 분석) 등 새로운 계산 방법을 필요로 하며, 과학 및 공학의 여러 분야와 결합하여 종합적이고 학제적인 성격을 띤다.

계산 과학에 사용되는 알고리즘과 수학적 방법은 매우 다양하며, 일반적으로 컴퓨터 대수학, 수치 해석 등이 적용된다.

5. 1. 수치 해석

계산 과학에서 사용되는 알고리즘과 수학적 방법은 다양하다. 일반적으로 다음 방법들이 적용된다.

5. 2. 컴퓨터 대수학

컴퓨터 대수학[13][14][15][16]은 통계, 방정식 풀이, 대수학, 미적분학, 기하학, 선형대수학, 텐서 해석(다중 선형 대수학), 최적화 등의 분야에서 기호 계산을 포함한다.

5. 3. 기타 방법론

이산 푸리에 변환, 몬테 카를로 방법, 수치 선형대수학, 선형 계획법, 분기 한정법, 분자 역학 등 다양한 방법론이 계산 과학에 활용된다.[25][26][27][28][29][30][31]

5. 4. 프로그래밍 언어

역사적으로 그리고 오늘날에도 포트란은 과학 계산의 대부분의 응용 분야에서 여전히 인기가 있다.[32][33] 과학 계산 응용 프로그램의 보다 수학적인 측면에 일반적으로 사용되는 다른 프로그래밍 언어 및 컴퓨터 대수 시스템에는 GNU Octave, Haskell,[32] Julia,[32] Maple,[33] Mathematica,[34][35][36][37][38] MATLAB,[39][40][41] Python (타사 SciPy 라이브러리 포함[42][43][44]), Perl (타사 PDL 라이브러리 포함), R,[45] Scilab,[46][47] 및 TK Solver가 있다. 과학 계산의 보다 계산 집약적인 측면은 종종 C 또는 포트란의 일부 변형과 BLAS 또는 LAPACK과 같은 최적화된 대수 라이브러리를 사용한다. 또한 병렬 컴퓨팅은 합리적인 시간 내에 대규모 문제의 해결책을 찾기 위해 과학 계산에서 널리 사용된다. 이 프레임워크에서 문제는 단일 CPU 노드의 여러 코어(예: OpenMP 사용)로 분할되거나, 네트워크로 연결된 여러 CPU 노드(예: MPI 사용)로 분할되거나, 하나 이상의 GPU에서 실행된다(일반적으로 CUDA 또는 OpenCL 사용).

6. 응용 분야

계산과학은 다양한 현실 세계의 문제를 해결하기 위해 컴퓨터를 활용하는 분야이다. 과학자나 기술자는 특정 현상을 모델화한 프로그램이나 응용 소프트웨어를 개발하고, 다양한 변수를 입력하여 결과를 예측하거나 분석한다.[59][60][61][62] 이러한 모델은 대량의 연산을 필요로 하는 경우가 많아, 슈퍼컴퓨터나 분산 컴퓨팅 환경에서 실행되기도 한다.

수치 해석(정도 보증 부착 수치 계산[63][64][65][66], 수치 선형 대수[59], 상미분 방정식의 수치 해법[67], 편미분 방정식의 수치 해법[68][69], 수치 적분[70] 등)은 계산과학에서 중요한 역할을 한다.[71][72] 수치 시뮬레이션은 문제의 성격에 따라 지진, 쓰나미 등 자연 재해와 같이 이미 알려진 현상을 재구성하고 이해하거나, 공학적, 산업적 프로세스와 같이 이미 알려진 시나리오를 최적화하거나, 기상 예측, 원자 레벨 이하 입자의 움직임 예측과 같이 미래 또는 미지의 상황을 예측하는 데 활용된다.

계산과학은 실제 세계의 조건을 변경하여 모델화한다. 예를 들어, 기상, 비행기 주변의 기류, 자동차 충돌 시 차체의 변형, 은하계 내 별들의 움직임, 폭발물 등을 모델링할 수 있다. 이러한 프로그램은 컴퓨터 메모리 내에 논리적인 격자(메쉬)를 생성하고, 각 영역이 실제 세계의 공간적인 부분을 나타내도록 한다. 기상 모델의 경우, 각 점은 수 킬로제곱의 영역을 대표하며, 지리 상태, 바람의 방향, 습도, 온도, 기압 등의 변수가 주어진다. 프로그램은 모델화된 방정식을 풀어 현재 상태를 기반으로 다음 상태를 계산하며, 이러한 과정을 반복하여 시간에 따른 변화를 시뮬레이션한다.

계산과학은 물리학, 화학, 공학뿐만 아니라 경제학, 생물학, 의학 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

계산과학의 주요 응용 분야는 다음과 같다.



또한, 과학 분야는 아니지만 계산 기하학[92][93][94][95] 등 관련 분야에서도 활용된다.

6. 1. 예측 계산 과학

예측 계산 과학은 초기 및 경계 조건과 일련의 특성 매개변수 및 관련 불확실성이 주어졌을 때, 물리적 사건의 특정 측면을 예측하도록 설계된 수학적 모델의 공식화, 보정, 수치 해법 및 검증과 관련된 과학 분야이다.[10] 일반적인 경우, 예측 진술은 확률 측면에서 공식화된다. 예를 들어, 기계 부품과 주기적인 하중 조건이 주어지면 "파괴 시 사이클 수(Nf영어)가 N1 < Nf < N2 간격 내에 있을 확률은 (예를 들어) 90%이다."[11]

6. 2. 도시 복잡계 시스템

도시는 인간에 의해 만들어지고, 인간으로 구성되며, 인간에 의해 관리되는 거대한 복잡계이다. 미래의 도시 발전을 예측하고 이해하며, 어떻게든 형성하려는 시도는 복잡한 사고와 계산 모델, 시뮬레이션을 필요로 하며, 이를 통해 과제와 잠재적 재해를 완화하는 데 도움을 줄 수 있다. 도시 복잡계 연구의 초점은 모델링과 시뮬레이션을 통해 도시 역학에 대한 더 큰 이해를 구축하고 다가오는 도시화에 대비하는 것이다.

6. 3. 계산 금융

금융 시장에서, 방대한 양의 상호 의존적인 자산이 다양한 위치와 시간대에 걸쳐 상호 작용하는 다수의 시장 참여자에 의해 거래된다. 이러한 행위는 전례 없는 복잡성을 띄며, 매우 다양한 일련의 금융 상품에 내재된 위험의 특성화와 측정은 일반적으로 복잡한 수학적 모델과 계산 모델을 기반으로 한다. 단일 상품 수준에서조차 이러한 모델을 폐쇄 형식으로 정확하게 푸는 것은 일반적으로 불가능하므로, 효율적인 수치 알고리즘을 찾아야 한다. 최근 신용 위기가 단일 금융 상품에서 단일 기관의 포트폴리오를 거쳐 상호 연결된 거래 네트워크에 이르기까지 연쇄 효과의 역할을 분명하게 보여주었기 때문에, 이는 더욱 시급하고 복잡해졌다. 이를 이해하려면 시장, 신용 및 유동성 위험과 같은 상호 의존적인 위험 요소를 다양한 상호 연결된 규모에서 동시에 모델링하는 다중 규모 및 전체적인 접근 방식이 필요하다.

6. 4. 계산 생물학

생명공학의 발전은 생물학과 생물의학 연구에 혁명을 일으키고 있다. 고처리량 시퀀싱, 고처리량 정량적 PCR, 세포 내 이미징, 유전자 발현의 현장 부합, 광 시트 형광 현미경, 광학 투영 (마이크로) 컴퓨터 단층 촬영법과 같은 3차원 이미징 기술이 그 예시이다. 이러한 기술로 생성되는 방대한 양의 복잡한 데이터는 의미 있는 해석과 저장을 위해 새로운 접근 방식을 요구한다.

현재의 생물정보학적 접근 방식을 넘어, 계산 생물학은 이러한 대규모 데이터 세트에서 의미 있는 패턴을 발견하기 위한 새로운 방법을 개발해야 한다. 유전자 네트워크의 모델 기반 재구성은 유전자 발현 데이터를 체계적으로 구성하고 향후 데이터 수집을 안내하는 데 사용될 수 있다. 여기서 주요 과제는 유전자 조절이 생체 광물화 및 배아 발생과 같은 기본적인 생물학적 과정을 어떻게 제어하는지 이해하는 것이다. 유전자 조절, 광물 침착 과정과 상호 작용하는 유기 분자, 세포 과정, 생리학 및 조직 및 환경 수준의 기타 과정과 같은 하위 프로세스가 연결되어 있다.

생체 광물화와 배아 발생은 중앙 제어 메커니즘에 의해 지시되기보다는, 나노미터 및 나노초에서 미터 및 연도에 이르기까지 매우 다른 시간 척도 및 공간 척도에서 여러 하위 프로세스가 다중 척도 시스템으로 연결되는 복잡한 시스템의 출현 행동으로 볼 수 있다. 이러한 시스템을 이해하기 위해 사용할 수 있는 몇 안 되는 옵션 중 하나는 시스템의 멀티스케일 모델을 개발하는 것이다.[90]

6. 5. 복잡계 이론

정보 이론, 비평형 열역학 및 명시적 시뮬레이션을 사용하여 계산 시스템 이론은 복잡 적응계의 진정한 본질을 밝히려고 시도한다.

6. 6. 전산 과학 및 공학 (CSE)

전산 과학 및 공학(CSE)은 공학 분석 및 설계(전산 공학)와 자연 현상(전산 과학)에서 발생하는 복잡한 물리적 문제를 해결하기 위해 계산 모델 및 시뮬레이션을 개발하고 적용하는 비교적 새로운 학문 분야이다. 이는 종종 고성능 컴퓨팅과 결합된다. CSE는 과학자, 엔지니어, 학자들 사이에서 "세 번째 발견 방식"(이론과 실험 다음)으로 받아들여졌다.[12] 많은 분야에서 컴퓨터 시뮬레이션은 필수적이며, 따라서 비즈니스와 연구에 필수적이다. 컴퓨터 시뮬레이션은 기존 실험으로는 접근할 수 없거나 기존 경험적 탐구를 수행하는 데 비용이 지나치게 많이 드는 분야에 진입할 수 있는 기능을 제공한다.

CSE는 순수한 컴퓨터 과학이나 컴퓨터 공학과 혼동해서는 안 된다. 전산 과학의 광범위한 영역(예: 특정 알고리즘, 데이터 구조, 병렬 프로그래밍, 고성능 컴퓨팅)이 CSE에서 사용되며, 컴퓨터 공학의 일부 문제는 CSE 방법을 사용하여 모델링하고 해결할 수 있다(응용 분야로서).

계산과학은 컴퓨터 과학의 관련 분야이며, 일부로 간주되기도 하지만, 큰 차이점도 있다. 일반적으로 컴퓨터 과학은 응용과는 독립적으로 컴퓨터의 이론이나 실제를 다루기도 하며, 이론 컴퓨터 과학 등에서는 대상이 되는 컴퓨터 자체가 이론적인 존재일 수도 있으며 수학적이라고도 할 수 있을 것이다. 또한 데이터 처리 등, 수치 계산을 수반하지 않는 분야도 있다. 반면에 계산과학은, 많은 경우, 수학이라기보다는 적어도 수치 해석처럼 실제 수를 대상으로 하며, 많은 경우 물리 현상 등과 같은 현실의 대상을 모델화한 것이다.

과학자나 기술자는, 대상 영역을 모델화한 프로그램이나 응용 소프트웨어를 개발하고, 거기에 다양한 파라미터를 부여하여 실행한다. 일반적으로 그러한 모델은 대량의 연산을 필요로 하며, 슈퍼컴퓨터나 분산 컴퓨팅 환경에서 실행되는 경우가 많다.

수치 해석(정도 보증 부착 수치 계산[63][64][65][66], 수치 선형 대수[59], 상미분 방정식의 수치 해법[67], 편미분 방정식의 수치 해법[68][69], 수치 적분[70] 등)은 계산과학의 중요한 수법 중 하나이다.[71][72]

수치 시뮬레이션은, 이하와 같이 대상으로 하는 문제의 성질에 따라 목적이 다르다.

  • 기지의 사상을 재구축하여 이해한다 (예를 들어, 지진, 쓰나미 등의 자연 재해).
  • 기지의 시나리오를 최적화한다 (예를 들어, 공학적 프로세스나 산업 프로세스).
  • 미래 또는 미지의 상황을 예측한다 (예를 들어, 기상, 원자 레벨 이하의 입자의 움직임).


계산과학의 어플리케이션 프로그램은 실제 세계의 조건을 변경하여 모델화하는 경우가 많다. 예를 들어, 기상, 비행기 주변의 기류, 자동차 충돌 시의 차체의 상황, 은하계의 별들의 움직임, 폭발물 등이다. 그러한 프로그램은, 컴퓨터의 메모리 내에 논리적 메쉬(그물)를 형성하고, 개개의 영역이 실제 세계의 모델의 공간적인 부분을 나타내도록 되어 있다. 예를 들어 기상의 경우, 하나의 점이 수 킬로제곱의 영역에 대응하고, 그 아래의 지리 상태, 바람의 방향, 습도, 온도, 기압과 같은 파라미터가 주어진다. 프로그램은 시뮬레이트하는 시간 간격에 따라, 현재의 상태를 기반으로 다음 상태를 계산한다. 이 계산은 모델화된 방정식을 푸는 것으로 이루어진다. 그러한 계산을 잇따라 행하는 것이다.

"계산 과학자"라는 말은, 과학 기술 계산에 뛰어난 사람을 의미한다. 일반적으로 과학자, 기술자, 응용 수학자인 경우가 많으며, 고성능인 컴퓨터를 이용하여 대상 영역 (물리학, 화학, 공학 등)의 어떤 최첨단 이론을 검증한다. 계산과학은 그 외에도 경제학이나 생물학이나 의학에도 적용되고 있다.

6. 7. 기타 응용 분야

계산과학은 다양한 분야에 응용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다:

또한, 과학의 한 분야는 아니지만 관련이 있는 분야로는 계산 기하학[92][93][94][95], 등이 있다.

7. 관련 학회 및 기관

CORE 랭킹에서 A급 학술대회로 평가받는 국제 계산 과학 컨퍼런스(ICCS)가 2001년에 처음 개최된 이후 매년 열리고 있다.[48]

2010년 5월에는 계산 과학 저널(Journal of Computational Science)이 창간호를 발행했고,[49][50][51] 2012년에는 오픈 연구 소프트웨어 저널(Journal of Open Research Software)이 창간되었다.[52] 2015년에는 계산 결과 재현을 목표로 하는 ReScience C 이니셔티브가 깃허브에서 시작되었다.[53]

7. 1. 한국

한국에서는 다음과 같은 기관 및 연구 영역에서 계산과학을 연구하고 있다.

  • 과학기술정보통신부 및 산하 연구기관
  • 한국과학기술정보연구원(KISTI)
  • 한국기초과학지원연구원(KBSI)
  • 한국원자력연구원(KAERI)
  • 한국전자통신연구원(ETRI)
  • 한국표준과학연구원(KRISS)
  • 국가보안기술연구소(NSR)
  • 한국생산기술연구원(KITECH)
  • 한국화학연구원(KRICT)
  • 한국기계연구원(KIMM)


또한 다음과 같은 관련 학회가 있다.

7. 2. 미국

미국에는 다음과 같은 계산과학 관련 학회가 있다.

  • SIAM
  • ACM

7. 3. 국제

CORE 랭킹에서 A급 컨퍼런스인 국제 계산 과학 컨퍼런스(ICCS)가 2001년에 처음으로 개최되었다.[48] 이후 매년 개최되고 있다.

8. 교육

미국에서는 1991년 앨 고어 상원의원이 HPCA법령(High Performance Computing and Communication Act of 1991)을 제정하여 고성능 계산 및 통신 분야의 발전을 이끌었고, 이에 따라 주요 대학에 계산과학 협동과정이 설립되기 시작했다. 미국, 유럽 등의 계산과학 교육 현황은 미국산업및응용수학회 홈페이지([http://www.siam.org/students/resources/report.php])에서 확인할 수 있다.

한국에서는 2004년 서울대학교 대학원에 계산과학협동과정이 설립되었고, 2008년에는 연세대학교에 계산과학공학과([http://web.yonsei.ac.kr/CSEgrad/index.htm])가 개설되었다. 2011년에는 서울대학교에 최초의 학사 학위 과정인 연합전공 계산과학([http://uipcs.snu.ac.kr/])이 신설되었으며, 이화여자대학교에도 학부 계산과학 연계전공([https://cms.ewha.ac.kr/user/indexSub.action?codyMenuSeq=2299409&siteId=ims])이 개설되었다.

계산과학은 응용 분야에 따라 다양한 모습을 보이지만, 공통적으로 수치해석, 컴퓨터 알고리즘, 정보의 통계적 처리 등에 대한 지식을 기초로 한다. 또한, 초고속 대용량 계산, 모의실험(simulation), 모형화(modeling), 시각화(visualization), 정보 분석(data analysis) 등 새로운 계산 방법을 필요로 하며, 이러한 방법론과 개별 과학 및 공학의 결합은 종합적, 학제적 성격을 띤다.

8. 1. 학위 과정

암스테르담 대학교와 자유 대학교|italic=nonl는 2004년에 계산 과학 석사 공동 학위 과정을 처음 개설하였다. 이 프로그램에서 학생들은 실제 관찰을 통해 계산 모델을 구축하고, 이러한 모델을 계산 구조로 전환하여 대규모 시뮬레이션을 수행하는 기술을 개발한다. 또한 복잡한 시스템 분석 이론을 배우고, 첨단 수치 알고리즘을 사용하여 가상 실험실에서 시뮬레이션 결과를 분석하는 법을 배운다.

취리히 연방 공과대학교는 계산 과학 및 공학 학사 및 석사 학위를 제공한다. 이 학위는 학생들이 과학적 문제를 이해하고 수치적 방법을 적용하여 이러한 문제를 해결할 수 있도록 한다. 세부 전공 방향으로는 물리학, 화학, 생물학 및 기타 과학 및 공학 분야가 있다.[1]

조지 메이슨 대학교는 1992년부터 계산 과학 및 정보학 분야의 다학제 박사 과정을 제공해 왔다.[2]

자와할랄 네루 대학교의 계산 및 통합 과학 학교(구 정보 기술 학교)는 계산 생물학과 복잡계라는 두 가지 전문 분야를 갖춘 활발한 계산 과학 석사 과정을 제공한다.[3]

일부 기관에서는 과학적 계산 전문 분야를 다른 프로그램 내에서 "부전공"으로 이수할 수 있다. 그러나 학사 학위, 석사 학위 및 박사 학위 과정이 점점 더 많이 개설되고 있다.[4]

8. 2. 커리큘럼

계산과학의 주요 과목으로는 과학적 계산을 위한 프로그래밍 언어, 자료 분석, 과학적 가시화, 선형대수의 과학 계산, 편미분방정식의 과학 계산, 과학적 계산 모델링, 병렬계산 기법, 과학 계산의 응용 등이 있다.

일부 기관에서는 과학적 계산 전문 분야를 다른 프로그램 내에서 "부전공"으로 이수할 수 있다(프로그램 수준은 다양할 수 있음). 그러나 학사 학위, 석사 학위 및 박사 학위 과정이 점점 더 많이 개설되고 있다. 암스테르담 대학교와 자유 대학교|italic=nonl의 계산 과학 석사 공동 학위 과정은 2004년에 처음 개설되었다. 이 프로그램에서 학생들은 다음과 같은 내용을 배운다.

  • 실제 관찰을 통해 계산 모델을 구축하는 법
  • 이러한 모델을 계산 구조로 전환하고 대규모 시뮬레이션을 수행하는 기술 개발
  • 복잡한 시스템 분석의 확고한 기반을 제공하는 이론
  • 첨단 수치 알고리즘을 사용하여 가상 실험실에서 시뮬레이션 결과를 분석하는 법


취리히 연방 공과대학교는 계산 과학 및 공학 학사 및 석사 학위를 제공한다. 이 학위는 학생들에게 과학적 문제를 이해하고 수치적 방법을 적용하여 이러한 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖추도록 한다. 세부 전공 방향으로는 물리학, 화학, 생물학 및 기타 과학 및 공학 분야가 있다.

조지 메이슨 대학교는 1992년부터 계산 과학 및 정보학 분야의 다학제 박사 과정을 제공해 왔다.

자와할랄 네루 대학교의 계산 및 통합 과학 학교 (구 정보 기술 학교)는 계산 생물학과 복잡계라는 두 가지 전문 분야를 갖춘 활발한 계산 과학 석사 과정을 제공한다.

계산과학은 종래에 응용수학이나 전산학의 일부로서 교육되거나, 일반적인 수학·과학·공학의 커리큘럼의 일환으로 교육되어 왔다. 그러나 서유럽 제국이나 북아메리카 제국에서는 계산과학으로 학사 학위를 취득하는 학생이 해마다 증가하고 있다. 계산과학에 관한 석사 학위를 수여하는 대학도 늘어나, 일부 대학에서는 박사 학위도 수여하고 있다.

8. 3. 관련 분야

계산과학은 수치해석, 컴퓨터 알고리즘, 정보의 통계적 처리 등 다양한 분야에 응용되며, 종합적이고 학제적인 성격을 띤다.[59][60][61][62] 초고속 대용량 계산, 모의실험(simulation), 모형화(modeling), 시각화(visualization), 정보 분석(data analysis)과 같은 새로운 계산 방법을 필요로 한다.

계산과학의 관련 분야는 다음과 같다:

참조

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