상호연결망(Interconnection Network)

개요

상호연결망(Interconnection Network)은 병렬 컴퓨팅 또는 멀티프로세서 시스템에서 프로세서와 메모리, 또는 프로세서 간의 데이터를 연결하고 교환하는 통신 구조를 의미합니다. 클러스터, 슈퍼컴퓨터, GPU 네트워크, AI 연산 플랫폼 등에서 노드 간 빠르고 안정적인 데이터 전송을 위해 필수적인 구성 요소입니다.

---

1. 개념 및 정의

상호연결망은 병렬 처리 시스템 내 여러 처리 장치(노드)가 데이터를 주고받는 데 사용하는 물리적 및 논리적 통신 경로의 집합입니다. 이는 단순한 케이블 연결을 넘어서, **토폴로지(Topology), 라우팅(Routing), 스위칭(Switching)**과 같은 요소들이 복합적으로 작용하여 시스템 전체 성능에 큰 영향을 미칩니다.

---

2. 특징

특징	설명	비고
구조적 다양성	다양한 형태의 연결 구조(버스, 링, 메시 등) 존재	성능 및 비용에 따라 선택
확장성 고려	노드 수 증가 시 통신량 증가 대응 구조 필요	클러스터 및 슈퍼컴퓨터 설계 핵심
통신 최적화	병목 현상 방지 위한 효율적 경로 구성	AI/과학 계산에 중요

효율적인 상호연결망은 단순한 계산 능력 이상의 시스템 전체 처리 성능을 좌우합니다.

---

3. 구성 요소

구성 요소	설명	예시
노드(Node)	데이터를 주고받는 연산 유닛 또는 메모리	CPU, GPU, 메모리 모듈
링크(Link)	노드 간 데이터를 전송하는 물리 연결선	고속 케이블, 버스
스위치(Switch)	경로를 선택하여 패킷을 전송	Crossbar, Router
라우터(Router)	목적지에 따라 데이터 경로 결정	네트워크 중계기 역할

이 구성은 다양한 네트워크 토폴로지 설계를 가능하게 하며, 병렬 시스템의 효율을 결정짓습니다.

---

4. 주요 토폴로지 유형

유형	구조	특징
버스(Bus)	모든 노드가 하나의 공유 선로 사용	간단하지만 확장성 낮음
링(Ring)	노드를 원형으로 연결	단방향 or 양방향 가능, 지연 존재
메시(Mesh)	2D/3D 격자 형태	고성능, 유연성 있음
하이퍼큐브(Hypercube)	n차원 큐브 구조	연결성 좋고 확장성 우수
완전연결(Fully Connected)	모든 노드가 직접 연결	최고 성능, 비용 부담 큼

토폴로지 선택은 처리량, 확장성, 비용 간 균형이 핵심입니다.

---

5. 기술 요소

기술	설명	적용 예
라우팅 알고리즘	최적 경로 결정 (정적/동적 라우팅)	토폴로지 기반 경로 결정
스위칭 방식	메시지 교환 방식 (패킷/회선/가상채널)	Crossbar, Wormhole Switching
네트워크 지연	홉 수, 대역폭, 혼잡도 등 고려	AI 학습 노드 통신 최적화
인터페이스 프로토콜	상호연결망 간 통신 규칙	PCIe, NVLink, InfiniBand

성능 최적화를 위해 하드웨어+소프트웨어 연계 설계가 필요합니다.

---

6. 활용 사례 및 고려사항

사례	설명	고려사항
슈퍼컴퓨터	노드 간 대규모 연산 결과 공유	메시/하이퍼큐브 기반 구조 사용
AI 연산 서버	GPU 간 고속 통신	NVLink, NCCL 최적화 중요
클러스터 컴퓨팅	서버 노드 간 데이터 처리	이더넷/InfiniBand 구성 전략 필요

성능 병목, 네트워크 지연, 패킷 충돌 등을 최소화해야 효율적인 병렬 처리 가능

---

7. 결론

상호연결망은 병렬 시스템에서 프로세서 간 통신 성능을 좌우하는 핵심 인프라입니다. 토폴로지와 라우팅 알고리즘 선택, 스위칭 방식 구성 등은 전체 시스템 처리 성능과 확장성에 직접적인 영향을 미칩니다. 고성능 컴퓨팅, AI 연산, 클러스터 시스템 설계 시 상호연결망은 단순 연결이 아닌 전략적 설계 요소로 고려되어야 하며, 향후에는 광통신, AI 기반 라우팅, 재구성 가능 네트워크 등의 기술로 진화할 것입니다.