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【Zoom In】 ETRI, 《디지털 트윈의 꿈》 발간
2021-04-01

 
ETRI 《디지털 트윈의 꿈》 발간
 
직관적인 문제 해결을 돕는 효과적인 기술

디지털 전환은 전기 산업도 예외가 아니다. 전력계통이 중앙공급방식에서 분산화하고 있고, 재생에너지를 비롯해 에너지원이 다양화하고 있다. 또한, 전기 시장의 구조 변화가 이루어지면서 매우 복잡한 양상을 띠고 있다. 이러한 문제를 효과적으로 해결하는 수단으로 디지털 기술의 도입이 이루어지고 있다. ‘디지털 트윈’은 디지털 전환에 있어 핵심적인 기반 기술로 손꼽힌다. 하지만 이 개념은 생소하면서도 이해가 쉽지 않다. 이에 한국전자통신연구원(ETRI)이 디지털 트윈에 관한 보고서이자 사용설명서인 《디지털 트윈의 꿈》을 발간했다.

정리 강창대 기자 자료 한국전자통신연구원(ETRI), 자일링스

ETRI가 만든 기술발전지도 2035에서 표현하고 있는 미래의 디지털 트윈 사회, 자율형도시 모습

한국전자통신연구원(ETRI)은 다양한 산업 분야에서 디지털 경제 전환에 따라 어떻게 디지털 트윈 기술을 접목시켜 활용할 수 있을지 설명하는 보고서 《디지털 트윈의 꿈》을 펴냈다. 보고서는 ETRI 홈페이지 (www.etri.re.kr ) ‘지식공유플랫폼’섹션에서 ‘성과물’을 통해 볼 수 있다. 

‘디지털 트윈’(Digital Twin)이란 현실 세계에서 실체를 갖고 있는 물리적 시스템과 기능 및 동작을 그대로 소프트웨어로 만들어 연결함으로써 마치 거울을 앞에 두고 쌍둥이처럼 동작하는 기술을 말한다. 디지털 트윈은 도시, 교통, 친환경 에너지, 수자원관리 기술 등 광범위한 분야에 다양하게 적용되는 중이다. 가상공간에 재창조된 시뮬레이션을 통해 재난이나 환경오염, 도시건설 등 다양한 현실의 문제를 해결하고 대비할 수 있을 것으로 기대되기 때문이다.

ETRI는 지난 2018년 세종특별자치시에 가상도시 모의실험을 통한 과학정책 수립, 그리고 지난 2020년 대전광역시 지능형 도시구축을 위해 디지털 트윈 개념을 적용하는 사업을 진행해 오고 있다. 연구진은 지난 2018년 세계 최초로 ‘디지털 트윈’과 관련해 ISO 국제표준화단체에 국제표준안을 제안한 바 있다. 국제표준안은 올해 안에 최종적인 발간이 예정돼 있다고 한다. 이 프로젝트의 리더로 위 보고서의 주요 저자인 ETRI 유상근, 이현정 책임연구원이 활약하고 있다. 

보고서의 제1저자인 ETRI 김용운 책임연구원은 “디지털 트윈은 해결하고자 하는 문제를 거울상 쌍둥이 모델로 만들어 직관적으로 풀어갈 수 있게 하는 효과적 기술”이라고 소개한다.  ETRI 강신각 표준연구본부장도“디지털 트윈은 다양한 방식으로 형상화될 수 있다”라며 이번 보고서가 “디지털 트윈의 모습을 상상하는 데 좋은 실마리가 될 수 있기를” 바란다고 전했다.

물리적 실체를 형상화하라
ETRI가 이번에 발간한 보고서는 다양한 분야의 산업 현장과 사회 현상의 문제를 해결하는 데 디지털 트윈이 어떻게 도움이 될지에 대한 통찰을 제공한다. 이를 통해 연구진은 기존 사물들에 대해 혁신적인 아이디어를 유발케 하고, 더 다양한 사용사례를 만들어 새로운 기술에 대한 선순환 구조가 만들어질 것으로 보고 있다.

보고서는 대상의 본질을 형상화하는 모델링을 가장 중요하게 해결해야 할 과제로 설명하고 있다. 그러나 현재의 디지털 트윈과 관련한 기술개발 가운데 본질적인 문제 해결에는 미흡하고 가시적인 영역에서만 화려한 표현에 그치는 경우들이 종종 발견된다. 개발 시간, 예산, 인력, 기술력, 이해 부족, 대상의 복잡도 등 여러 가지 원인이 복합적으로 작용하고 있기 때문이다. 이에 보고서는 다양한 분야에 따라 특성에 맞는 적정한 투자와 더불어, 디지털 트윈의 개념과 이해가  충분히 선행되어야 한다는 점을 강조한다.
ETRI가 발간한〈디지털 트윈의 꿈〉
〈디지털 트윈의 꿈〉을 발간한 ETRI 연구원들이 디지털 트윈에 대해 협의하고 있는 모습(좌측부터 이현정 책임연구원, 유상근 전문위원, 김용운 책임연구원)

또한, 보고서에는 ▲ 디지털 트윈 데이터 모델링, ▲ 서로 다른 디지털 트윈 간 연동 및 인터페이스, ▲ 형상화 충실도 및 가시화 충실도, ▲ 성숙도 모델, ▲ AR·VR·MR, CPS 등 다양한 연관 기술과의 연계 방안 등을 제시하기도 한다. 특히, 디지털 트윈의 대상을 단계적으로 구체화할 때 기술을 고도화할 수 있도록 현재의 수준과 향후 진화 방향을 가늠케 하는 성숙도 모델 또한 제공한다.

디지털 트윈 모델링에 관한 내용을 좀 더 들여다보면 이렇다. 모델링이란 물리적 개체로부터 구조와 행동에 대한 표현 양식을 생성하는 행위라고 한다. 이때 구조 표현은 2D 또는 3D 형태로 나타낼 수 있으며, 행동은 수학 공식, 절차 단계, 선택적 옵션, 알고리즘 규칙 등과 같이 컴퓨터가 처리할 수 있는 방식으로 나타낼 수 있다. 보고서는 “물리적 개체나 시스템에 대한 모델링은 어떤 목적으로 하느냐에 따라 달려 있는 것”이기 때문에 델링의 목적을 먼저 정의한 다음 “필요한 만큼만”해야 한다고 충고한다. 

디지털 트윈 모델링을 위해 물리적 개체의 행동은 시간, 비용, 성능, 지속가능성 및 안전성 등과 같은 다양한 관점으로 분석될 수 있다. 보고서는 모델링의 관점의 선택은 목표나 목적에 따라 달라질 수 있다고 한다. 그러나 ‘모델링 차원’이라고 하는 최소 네 가지 관점을 제시하기도 한다. 3D, 시간, 역할, 속성이 그것이다. 

목적이 역할을 규정한다
실물 대상에 대한 디지털 트윈의 어떤 정체성을 다른 장소에서 다른 역할을 할 수 있도록 만들 수 있어 ‘멀티 페르소나 트윈’(Multi-persona Twins)이라는 새로운 개념도 제시했다. 

다른 역할은 다른 목적으로 해석될 수 있다. 즉, 목적은 역할을 정의한다. FBS 프레임워크(Function-Behaviour-Structure Framework)는 디지털 트윈 모델링 방법론 중의 하나로서 물리적 실체(entity)에 부합하는 디지털 트윈을 개발하기 위해 목적, 행동, 구조를 먼저 분석해야 한다고 규정하고 있다. 

현실 세계는 고정된 물리적 개체뿐만 아니라 이동하는 물리적 개체를 포함한다. 그리고 하나의 물리적 개체가 경로를 따라 이동하는 동안 다른 장소에서 다른 역할을 수행할 수도 있다. 역할은 시간과 장소에 따라 동작하고자 하는 목적에 따라 정해진다. 이 목적을 실현하기 위해 여러 가지 역할을 설정하고, 이들을 묶어서 하나의 ‘역할 집합’(role clusters)을 정의할 수 있다. 따라서 보고서는 “목적이 디지털 트윈 모델을 정의하고, 목적이 다르면 행동 모델이 다르기 때문에 개발되는 디지털 트윈도 다르게 될 수밖에 없다”고 설명한다.

서로 다른 목적에 의한 역할은 그 역할을 담당하는 개별적인 정체성으로 특성화될 수 있다. 이런 개별적인 정체성은 하나의 디지털 트윈이 다중적인 정체성을 가진 멀티 페르소나 트윈으로 정의될 수 있는 것이다. 말하자면, 멀티 페르소나 트윈은 물리적 실체가 한 장소에서 다른 장소로 이동해 다른 정체성을 표현해야 하는 경우, 디지털 트윈이 어떻게 맞는 멀티 페르소나 트윈의 가면을 쓸 수 있는가, 라는 문제에서 비롯된 개념이라 할 수 있다. 

보고서는 두 가지 해법을 제시한다. 우선, 디지털 트윈이 갖는 모든 멀티 페르소나 트윈에 대해 수행해야 할 역할이 있는 장소에 미리 등록되도록 하고, 그 다음 해당 장소에 물리적 개체가 들어오면 그 장소에 등록되어 있는 멀티 페르소나 트윈이 활성화 되도록 하는 것이다. 보고서는 이를 ‘디지털 트윈 각성’(Digital Twin awakening)이라는 개념으로 설명한다. 

디지털 기술과 혁신의 가속화
한편, 적응형 및 지능형 컴퓨팅 분야에서 활동하고 있는 자일링스(Xilinxⓡ)가 2021년 전망을 내놓으며 디지털 기술에 따른 혁신이 더욱 가속화할 것으로 내다보았다. 자일링스는 ▲ 유무선 네트워크 장비, ▲ 데이터센터, ▲ 인공지능, ▲ 소프트웨어 등의 부문과 관련해 구체적인 전망을 전했다. 자일링스는 2021년이 비즈니스와 사회에 기술이 미치는 영향을 경험하는 획기적인 해가 될 것으로 전망했다. 그 내용을 추리면 다음과 같다. 

◆ 유무선 네트워크 장비
자일링스는 적응성과 개방형 표준, 인공지능 및 머신러닝이 2021년 5G 네트워크의 발전을 주도할 것을 전망했다. 기업은 최상의 하드웨어와 소프트웨어를 조합해 5G의 세분화된 시스템을 새롭게 구현할 것이라고 보았다. 자일링스는 적응형 SoC(System on Chip) 및 RF(Radio frequency) 솔루션을 시장에 내놓고 있다. 

◆ 데이터센터
하이퍼스케일 및 클라우드 서비스 제공 업체들을 통해 스마트NIC(SmartNIC) 구축이 기존의 NIC((Network Interface Controller)를 능가할 것으로 전망된다. 스마트NIC는 탁월한 총소유비용(Total Cost of Ownership, TCO)과 성능을 제공하며, 코프로세싱은 오늘날의 고속 네트워킹 요건과 효율성을 충족시키기 위한 필수 요소가 되고 있다. 데이터센터에서 나타나고 있는 또 다른 주요 동향은 대화형 라이브 스트리밍의 성장이다. 대화형 라이브 스트리밍 서비스는 데이터센터 가속기 카드가 제공할 수 있는 초저지연 라이브 스트리밍 성능에 대한 요구를 증가시킬 것으로 보인다. 

◆ 인공지능
도메인별로 특화된 아키텍처, 즉 DSA (Domain-Specific Architecture)가 인공지능 추론의 미래를 이끌 것으로 예상된다. DSA는 각 작업부하 그룹에 맞게 사용자가 정의한 적응형 하드웨어를 활용해 높은 효율로 실행된다. 2021년에는 인공지능의 추론이 점차 고정형 실리콘 접근방식에서 벗어나 적응형 컴퓨팅과 DSA의 이점을 고려하게 될 것으로 보인다. 

◆ 소프트웨어
지난해까지 일반적인 소프트웨어 개발자와 인공지능 과학자들은 적응형 하드웨어의 성능을 충분히 활용할 수 없었다. 2021년에는 오픈소스 툴이 프로그래밍을 간소화함으로써 소프트웨어 개발자와 인공지능 과학자들은 차세대 애플리케이션을 위해 적응형 하드웨어를 활용할 수 있게 될 것으로 보인다.보다 쉽게 FPGA 및 적응형 SoC에 접근할 수 있게 될 것이다.

◆ 산업용 사물인터넷
로봇이 공장을 넘어 일반 매장과 지역사회로 확산될 것으로 전망된다. 기업들은 코로나19 팬데믹에 맞서 노동자들의 근접 작업을 줄이고 소비자들의 건강과 안전을 보장하기 위해 로봇 도입을 적극적으로 추진할 것으로 보인다.

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