시뮬레이션

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1. 개요2. 구성3. 주요 기술4. 응용 분야

4.1. 학문 분야

4.1.1. 우주론: 모의실험 가설

4.2. 워게임4.3. 게임

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1. 개요

Simulation

실제현상의 본질을 나타내는 모형을 만들어 실행하는 모의실험을 뜻한다.

이를 번역한 모의실험( 模擬實驗)이라는 용어가 있으나, 어차피 한자어라 '시뮬레이션'이란 용어가 훨씬 널리 쓰인다.

2. 구성

시뮬레이션에는 모형 (Model)이 필수적인데, 모형이란 말을 들으면 우리는 실물을 본떠 플라스틱이나 나무로 만들어낸 물건을 연상하며 실제로 그런 실물 모형도 시뮬레이션에 이용되지만, 시뮬레이션에 사용되는 모형 중에는 동물이나 물리적 현상[1], 수식(수학적 모델) 등 다양한 것들이 포함된다. 대표적인 모형의 예는 다음과 같다.

실물 모형: 인체 모형, 건물 모형 등을 이용한 실물 시뮬레이션을 종종 시행한다. 인체 모형으로 가장 유명한 것이 바로 충돌 테스트에 사용하는 크래시 더미(crash dummy, 충돌용 인형)다. 심지어 사람의 시체도 인체 모형으로 이용되는 경우가 있다.(실험용으로 기증받은 시신을 사고 관련 시뮬레이션에 이용) 건물 모형은 대개 군사 분야에서 이용되곤 하는데, 핵실험에서 모형 건물들을 지어놓고 근처에서 핵폭탄을 터뜨려 건물이 어떻게 되는지 관찰하곤 했다.
동물 모형: 약학에서 가장 많이 사용된다. 인간에게 사용할 의약품을 시험할 때, 초기 단계에서는 우선 실험 동물들에게 투여해 각종 독성을 알아보고, 여기서 결과가 양호할 경우 임상시험(인체 실험)을 하겠다고 FDA나 식약처 같은 기관에 신청을 한다. 즉 이런 실험 동물들은 인체의 모형으로 이용되는 것이다. 이러한 모의실험을 위한 동물 모형은 무수히 개발되어 있으며, 특히 특정 유전자를 조작해 인간의 유전적 상태를 모형화한 녹인(knock-in) 마우스나 기니피그 등이 시판되고 있다.

세포 모형: 동물 모형의 일종으로, 동물 전체가 아니라 그 세포만을 모형으로 이용한다. 약학이 발전하며 점점 중요해지고 있는 모형이다. 유명한 세포 모형으로 헬라 세포주(한 여성의 암세포를 배양해 만든 세포 모형), CHO(chinese hamster ovary, 중국비단털쥐 난소) 세포주 등이 있다.

컴퓨터 모형: 오늘날 일반적으로 가장 많이 이용되는 모형이 바로 컴퓨터 모형이다. 컴퓨터의 성능이 엄청나게 발전했기 때문에, 과거 실물이나 동물을 사용해 실시하던 시뮬레이션도 오늘날에는 컴퓨터로 실시하는 것이 가능하다. 이런 컴퓨터 모의실험을 '컴퓨터 시뮬레이션'이라 부르며, 약학이나 의학에서는 컴퓨터 시뮬레이션으로 실시한 시험을 인 실리코(in silico) 시험이라 부른다.[2]
오늘날엔 핵실험도 컴퓨터로 한다. 물론 북한처럼 실물 원자탄으로 핵실험을 하는 나라도 있긴 하지만, 미국은 모든 핵폭탄 실험을 전부 슈퍼컴퓨터를 이용한 시뮬에이션으로 하고 있다. 핵분열 연쇄반응을 나노초 단위로 시뮬레이션하는 것이라 컴퓨터 능력이 엄청나게 좋지 않으면 불가능하다고 한다.

이해를 돕기 위해 예를 들어 보자. 한 과학자가 " 태풍의 눈에 원자폭탄을 터뜨리면 태풍을 소멸시킬 수 있을 것이다"라는 가설을 세웠는데, 이 가설을 입증하려면 태풍이 불 때 실제로 원자폭탄을 터뜨려봐야 하겠지만 이는 현실적으로 불가능한 일이다. 따라서 태풍과 원자탄 폭발의 모형을 만들고, 이 모형을 이용해 태풍의 눈에 원자폭발을 일으키는 상황을 모의실험해 그 결과를 관찰한 후 "실제로 해봐도 이런 결과가 나올 것이다"라고 보고하는 것이 일반적이다. 이렇게 모형을 이용한 실험을 모의실험, 시뮬레이션이라 부른다.

시뮬레이션에서 얻어진 결과의 유효성(validity), 즉 정확도는 당연히 그 시뮬레이션에 사용된 모형의 품질에 전적으로 좌우된다. 엉터리 모형을 사용한 시뮬레이션의 결과는 당연히 무의미하다. 실제 현상(태풍 등)이나 시스템(인체 등)을 정확히 모형화하는 것은 매우 어려운 일이다. 어떤 학자가 만들어낸 모형을 이용한 시뮬레이션이 실제 현상/시스템에서 관찰되는 결과와 일치하는 결과를 반복적/일관적으로 도출할 경우, 해당 모형은 학계에서 인정받으며 널리 이용되게 된다. 많은 과학자들이 다양한 실험( 사고실험 포함)에서 모형을 검증한 후 '이 모형 진짜 좋다'라고 인정할 경우 학계 표준으로 쓰이게 되며 표준 모형이라는 영광스러운 호칭을 얻기도 한다.

3. 주요 기술

4. 응용 분야

4.1. 학문 분야

아래와 같은 경우로 나누어진다.

본 실구현/실험에 들어가기 전에 이론값을 구하는 일
화학이나 전자, 전기쪽 시뮬레이션.

실제 현실에서 실험할 수 없거나 매우 곤란한 일을 시험하는 일
예를 들면 핵폭발 시뮬레이션. 전쟁의 결과를 예상해보는 워게임도 태생적으로는 이쪽 계열이라 할 수 있다. 극단적으로 가면 "지구에 소행성이 부딪혔을 경우 구체적으로 어떤 결과가 발생하는가?" 같은 내용도 시뮬레이션 가능하다.

학습용
간단한 시뮬레이터로 이론값을 구하는 용도부터 여러 상황을 구현하여 학습하는 용도까지를 포함한다. 전자계산기를 이용한 그래프 구하는 것, 혹은 전자과나 전자 계열 학부생이 pspice를 다루는 정도부터 비행 시뮬레이션처럼 적은 비용으로 비행 훈련을 진행하는 경우까지를 포함한다.

연구용
박사급 연구진들이 모여서 슈퍼컴퓨터를 가지고 하는 시뮬레이션. CERN 규모의 물리실험 등.

4.1.1. 우주론: 모의실험 가설

자세한 내용은 시뮬레이션 우주론 문서 참고하십시오.
우리가 사는 이 우주가 하나의 시뮬레이션 프로그램이라는 가설도 있다. 우주론 항목과 시뮬레이션 우주론 항목 참고.

4.2. 워게임

시뮬레이션은 공학과 과학에서만 사용되는 것이 아니라 경영, 군사 등 다양한 분야에서 널리 활용된다. 특히 군사 시뮬레이션은 '워게임'이라고도 불리며, 인간 참여자가 적극적으로 개입하는 훈련용 워게임, 그리고 인간 플레이어의 개입 없이 주어진 파라미터와 시나리오를 가지고 컴퓨터가 결과만을 도출하는 예측용 워게임의 두 가지로 분류된다. 군사용 시뮬레이션(워게임)은 세계 최고급의 두뇌들이 지난 수십년간 끊임없이 갈고닦은 분야로, 컴퓨터 시뮬레이션 분야에서 중장기 일기예보와 함께 양대 산맥으로 군림한다.

애초에 컴퓨터의 제작 목적은 군사용으로 시뮬레이션을 하기 위해서였다.

핵무기 프로젝트에서 컴퓨터는 그 뛰어난 연산능력을 활용하여 지상 핵실험이 더 이상 용납되지 않는 상황이 왔을 때 새로 설계되는 핵무기들의 위력을 확인하기 위해 사용되었다.[3]

핵무기뿐만 아니라 군과 컴퓨터가 만들어 내는 시뮬레이션 사이에는 깊은 관련이 있다. 군은 막대한 비용이 들어가는 실제 훈련보다는 적은 비용으로 최대한의 실전효과를 가져다 주는 컴퓨터 시뮬레이션을 많이 이용한다. 전투기 파일럿들이 실제 비행기를 타기 전에 컴퓨터가 가상으로 만들어 놓은 비행 시뮬레이션을 통해서 수없이 연습에 연습을 거듭한다.

4.3. 게임

워게임을 비롯한 컴퓨터 시뮬레이션이 일반인들(즉 학자가 아닌 사람들)에게도 널리 알려지며 이를 오락용으로 사용하는 경우도 크게 증가했는데 이런 오락용 컴퓨터 시뮬레이션을 ' 시뮬레이션 게임'이라 부른다. 특히 인기 있는 시뮬레이션 게임은 비행 시뮬레이션, 자동차 운전 시뮬레이션, 철도 시뮬레이션 등이 있지만, 그 외에도 도시 시뮬레이션( 심시티), 개미 시뮬레이션(심앤트), 지구 시뮬레이션( 심어스) 등 다양한 시스템의 시뮬레이션들이 개발되어 많은 인기를 누리고 있다. 일본에서는 심지어 청소년 남녀간 연애의 여러 측면을 시뮬레이션한 게임인 '연애 시뮬레이션'이란 장르가 있을 정도다.

특히 군대 시뮬레이션이 컴퓨터 게임의 장르 확산에 지대한 영향을 끼쳤다. 군대는 남자들의 중요한 관심사 중에 하나이고, 군사 매니아도 남성의 수가 대다수인 것이 사실이다. 전투상황을 모의로 꾸며서 진행하는 서바이벌 게임의 인기를 생각해보면 군대에서 경험하게 되는 여러 상황들을 게임으로 재현하고자 하는 열망은 쉽게 이해할 수 있다. 덕분에 초기 시뮬레이션 게임들은 바로 이 군사전략을 소재로 하고 있다. ARMA도 군용 훈련 소프트웨어로도 쓰이는 게임이다. VBS 3 링크는 아르마를 기반으로 만든 군 훈련 전용 시뮬레이션 엔진으로 사용되는 VBS3(Virtual Battle Space 3)링크이다. 물리엔진을 기반으로 실제에 가까운 물리를 엔진 속에서 느낄 수 있는 만큼 실제 일어날 수 있는 일을 가정해 놓고 훈련하는데 쓰인다고 한다. 미군, 독일연방군, 이탈리아군, 핀란드군등 정규군도 훈련용으로 사용하는 게임이면서 대한민국 국군도 아르마 콜드 워 어썰트의 오퍼레이션 플레시 포인트를 개조해서 훈련용으로 사용한다. VBS는 4까지 나왔다. #

오늘날 시뮬레이션 게임은 사소한 디테일은 모두 생략하고 흥미 위주의 요소는 극대화하는 이름만 시뮬레이션인 게임과 하드웨어의 한계 내에서 가능한 한도까지 정밀한 모델링을 추구하는 명실상부한 시뮬레이션 게임으로 양분된다. 후자의 경우 개발에 많은 비용과 노력이 필요하므로 그 수가 적으며, 팬층도 폭은 좁지만 팬심은 엄청난 코어팬들로 구성되는 경우가 많다. 그나마 대중적으로 인기가 있는 본격 시뮬레이션 게임으로 마이크로소프트 플라이트 시뮬레이터 시리즈, 커벌 스페이스 프로그램 등이 유명하다.

[1] 예를 들어 풍동은 비행기나 자동차가 빠르게 운동할 때 대기(공기)와의 상호작용을 모형화한 것이다. 즉 바람의 모형이다. [2] 실리코는 실리콘, 즉 컴퓨터의 반도체 칩을 의미한다. 참고로 생물을 일절 사용하지 않은 시험관 시험을 인 비트로(in vitro, 시험관 내) 시험이라 하며, 동물 등의 생체 내에서 실시한 시험은 인 비보(in vivo, 체내 생체), 생물로부터 적출한 생체 조직을 이용한 시험은 엑스 비보(ex vivo, 체외 생체) 시험으로 지칭한다. [3] 최초의 컴퓨터인 ENIAC과 핵무기 사이에는 약 1년의 간극이 있다. 비공식 최초 컴퓨터인 콜로서스는 영국 소유였으며 암호해독에 동원되었다.