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< (왼쪽부터) 박정호 그래파이 엔지니어, 이건호 박사과정, 김민수 교수 >

기업들은 오랫동안 데이터를 관리하는 데 관계형 데이터베이스(DB)를 써왔다. 하지만 거대 AI 모델 활용이 늘면서, 이제는 그래프 DB와의 통합 운영이 요구된다. 그러나 이 과정에서 비용 부담, 데이터 불일치, 복합 질의 처리의 어려움 같은 한계가 드러난다. 우리 연구진은 이 같은 문제를 단번에 해결할 수 있는 차세대 그래프-관계형 DB 시스템 개발에 성공했으며, 곧바로 산업 현장에 적용될 것으로 기대된다. 이 기술이 적용되면 AI는 단순 검색을 넘어 복잡한 연결 관계까지 실시간으로 추론할 수 있어, 한층 똑똑한 AI 서비스 구현이 가능해질 것이다. 

우리 대학 전산학부 김민수 교수 연구팀이 관계형 DB와 그래프 DB를 완전 통합하여 그래프-관계형 질의를 한층 효율적으로 실행할 수 있는 새로운 DB 시스템 ‘키마이라(이하 Chimera)’를 개발했다고 8일 밝혔다. Chimera는 국제 성능 표준 벤치마크에서 기존 시스템 대비 최소 4배에서 최대 280배 빠른 질의 처리 성능을 입증하며 세계 최고 수준을 기록했다. 

기존 관계형 DB와 달리, 그래프 DB는 데이터를 정점(노드)과 간선(연결선)으로 표현하는 구조를 가지고 있어 사람·사건·장소·시간처럼 복잡하게 얽힌 정보를 분석하고 추론하는 데 강점을 지닌다. 이러한 특징 덕분에 최근에는 AI 에이전트, SNS, 금융, 전자상거래 등 다양한 분야에서 활용이 빠르게 확산되고 있다. 

이와 함께 관계형 DB와 그래프 DB 간의 복합 질의 처리 수요가 커지면서, 관계형 질의 언어(SQL)에 그래프 질의 기능을 확장한 신규 표준 언어 ‘SQL/PGQ’도 제안됐다. 

SQL/PGQ는 기존 데이터베이스 언어(SQL)에 그래프 탐색 기능을 추가한 새로운 표준 언어로, 표(테이블) 형태의 데이터와 사람·사건·장소 등 연결 관계 정보를 한 번에 질의(검색)할 수 있도록 설계됐다. 이를 활용하면 ‘이 사람의 친구의 친구가 어느 회사에 다니는가’와 같은 복잡한 관계도 기존보다 훨씬 간단하게 검색할 수 있다.

< 그림 (a): 기존 RDBMS 기반 그래프 질의 처리 시스템의 전형적인 아키텍처를 보여준다. 그래프 탐색을 위한 전용 연산자와 인메모리 그래프 구조가 별도로 존재하며, 속성 조인은 관계형 연산자를 통해 처리된다. 그러나, 이러한 구조는 탐색과 조인이 서로 다른 파이프라인에서 수행되므로 하이브리드 질의의 실행 계획 최적화가 어렵다. 또한, 대규모 그래프의 경우 인메모리 구조로 인해 메모리 제약이 발생하고, 관계형 데이터로부터 그래프 데이터를 추출하는 방식으로 인해 최신성 유지에도 한계가 따른다. 그림 (b): Chimera의 통합 아키텍처를 보여준다. Chimera는 기존의 RDBMS 아키텍처에 그래프 탐색 연산자와 조인을 결합한 탐색-조인 연산자, 디스크 기반 그래프 저장소, 그리고 전용 그래프 접근 계층을 새롭게 도입하여, 그래프와 관계형 데이터를 단일 실행 흐름에서 처리한다. 또한 하이브리드 질의 계획기를 통해 그래프·관계형 연산을 통합적으로 최적화하며, 공용 트랜잭션 관리와 디스크 기반 저장 구조를 통해 최신성을 유지하면서도 메모리 제약 없이 대규모 그래프 DB를 다룰 수 있다. 이 아키텍처는 탐색-조인-매핑을 하나의 실행 계획에서 유연하게 결합함으로써 기존 시스템의 병목을 제거하고 성능과 확장성을 동시에 향상시킨다. >

문제는 지금까지의 접근 방식이 그래프 탐색을 억지로 조인 연산으로 흉내 내거나, 메모리에 그래프 뷰(view)를 미리 구성해 처리하는 방법에 의존했다는 점이다. 전자의 경우 탐색 단계가 깊어질수록 성능이 급격히 떨어지고, 후자의 경우 데이터 규모가 조금만 커져도 메모리 부족으로 실행이 실패한다. 또 원본 데이터 변경이 뷰에 즉시 반영되지 않아 데이터 최신성이 떨어지고, 관계형 결과와 그래프 결과를 따로 결합해야 하는 비효율이 뒤따랐다. 

우리 대학 연구팀이 개발한 ‘Chimera(키마이라)’는 이러한 한계를 근본적으로 해결했다. 연구팀은 데이터베이스의 저장 계층과 질의 처리 계층을 모두 새롭게 설계했다. 

연구팀은 우선 그래프 전용 저장소와 관계형 데이터 저장소를 함께 운영하는 ‘듀얼 스토어 구조’를 도입했다. 여기에 그래프 탐색과 관계형 연산을 동시에 처리하는 ‘탐색-조인 연산자’를 적용해, 복잡한 연산을 단일 체계에서 효율적으로 실행할 수 있도록 했다. 덕분에 Chimera는 데이터 저장부터 질의 처리까지 전 과정을 하나로 통합한 세계 최초의 그래프-관계형 DB 시스템으로 자리매김했다. 

그 결과, 국제 성능 표준 벤치마크인 ‘LDBC Social Network Benchmark(SNB)’에서 기존 시스템 대비 최소 4배에서 최대 280배 빠른 성능을 기록하며 세계 최고 수준을 입증했다. 

그래프 데이터의 규모가 아무리 커져도 메모리 부족으로 인한 질의 실패가 발생하지 않으며, 뷰를 사용하지 않기 때문에 데이터 최신성 측면에서도 지연 문제가 없다. 

김민수 교수는 “데이터 간 연결 관계가 갈수록 복잡해지는 만큼, 그래프와 관계형 DB를 아우르는 통합 기술의 필요성이 커지고 있다”며 “Chimera는 이 문제를 근본적으로 해결한 기술로, 앞으로 AI 에이전트, 금융, 전자상거래 등 다양한 산업에서 널리 쓰일 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

이번 연구에는 전산학부 이건호 박사과정이 제1저자로, 김민수 교수의 창업기업 ㈜그래파이의 박정호 엔지니어가 제2저자로 참여했으며, 김 교수가 교신저자를 맡았다. 

연구 성과는 지난 9월 1일, 세계적 권위의 데이터베이스 분야 국제학술대회 VLDB에서 발표됐다. 특히 새롭게 개발된 Chimera 기술은 ㈜그래파이가 출시 예정인 벡터-그래프-관계형 DB 시스템 ‘AkasicDB’에 적용돼, ‘RAG 기반 고성능 AI 에이전트(검색 능력을 갖춘 똑똑한 AI 비서)’ 구현을 위한 핵심 기술로 즉각적인 산업적 파급력이 기대된다.

※ 논문제목: Chimera: A System Design of Dual Storage and Traversal-Join Unified Query Processing for SQL/PGQ

※ DOI: https://dl.acm.org/doi/10.14778/3705829.3705845 

한편, 이번 연구는 과기정통부 IITP SW스타랩과 한국연구재단 중견과제의 지원을 받아 수행됐다.