エクサスケールコンピュータ

Exascale computing refers to computing systems capable of calculating at least 10¹⁸ floating point operations per second (1 exaFLOPS). The terminology generally refers to the performance of supercomputer systems and although no single machine has reached this goal as of January 2021, there are systems being designed to reach this milestone. In April 2020, the distributed computing Folding@home network attained one exaFLOPS of computing performance.

エクサスケール・コンピュータ（英: exascale computer）またはエクサスケール・コンピューティング（英: exascale computing）は、1秒間に10¹⁸回以上の浮動小数点演算（1エクサフロップス、exaFLOPS）を行うことができるコンピュータシステムを指す。一般的に、この用語は、スーパーコンピュータシステムの性能を指し、2021年1月時点で、単一でこの目標を達成したシステムは存在していないが、このマイルストーンに到達するために設計されているシステムがある。2020年4月、分散コンピューティングによる「Folding@home」のネットワークは、1 exaFLOPSの演算性能を達成した。

Exascale computing would be a significant achievement in computer engineering. Primarily it will allow improved scientific applications and better prediction such as in weather forecasting and personalised medicine. Exascale also reaches the estimated processing power of the human brain at the neural level, a target of the Human Brain Project. As in the TOP500 list there is also a race to be the first country to build an exascale computer.

エクサスケール・コンピューティングは、計算機工学の分野で大きな成果をもたらす。主に、天気予報や個別化医療など、科学的応用や予測の改善が可能になる。エクサスケールはまた、ヒューマン・ブレイン・プロジェクトで目標とされている、人間の脳の神経レベルでの推定処理能力に達している。また、TOP500リストのように、エクサスケール・コンピュータを最初に構築する国になる競争もある。

定義

「FLOPS」および「TOP500」を参照

Floating point operations per second (FLOPS) are a measure of computer performance. FLOPS can be recorded in different measures of precision, however the standard measure used by the TOP500 supercomputer list ranks computers by 64 bit (double-precision floating-point format) operations per second using the LINPACK benchmark.

1秒あたりの浮動小数点演算（FLOPS、Floating Point Operation Per Second）は、コンピュータの性能を表す指標である。FLOPSはさまざまな精度の測定値で記録できるが、TOP500スーパーコンピュータリストでは、LINPACKベンチマークを使用して64ビット（倍精度浮動小数点形式）の演算を1秒間に実行した回数でランキングするという標準的な指標が用いられている。

技術的な課題

It has been recognized that enabling applications to fully exploit capabilities of exascale computing systems is not straightforward. Developing data-intensive applications over exascale platforms requires the availability of new and effective programming paradigms and runtime systems. The Folding@home project, the first to break this barrier, relied on a network of servers sending pieces of work to hundreds of thousands of clients using a client–server model network architecture.

アプリケーションが、エクサスケール・コンピューティング・システムの能力を十分に活用できるようにすることは、簡単ではないと認識されている。エクサスケール・プラットフォーム上でデータ集約型アプリケーションを開発するには、新しく効果的なプログラミング・パラダイムとランタイム・システムが利用できる必要がある。この壁を最初に破ったFolding@homeプロジェクトは、クライアント・サーバー・モデルのネットワーク・アーキテクチャを使用して、数十万のクライアントに作業を送信するサーバーのネットワークに依存していた。

歴史

The first petascale (10¹⁵ FLOPS) computer entered operation in 2008. At a supercomputing conference in 2009, Computerworld projected exascale implementation by 2018. In June 2014, the stagnation of the Top500 supercomputer list had observers question the possibility of exascale systems by 2020.

最初のペタスケール（10¹⁵ FLOPS）コンピュータは2008年に稼働した。Computerworld誌は、2009年のスーパーコンピューティング会議で、2018年までにエクサスケールの実現を予測した。2014年6月、Top500スーパーコンピュータの停滞により、2020年までのエクサスケールシステムの可能性を疑問視する声が上がっていた。

Although exascale computing was not achieved by 2018, in the same year the Summit OLCF-4 supercomputer performed 1.8×10¹⁸ calculations per second using an alternative metric (i.e. not FLOPS) whilst analysing genomic information. The team performing this won the Gordon Bell Prize at the 2018 ACM/IEEE Supercomputing Conference.

2018年までにエクサスケール・コンピューティングは実現しなかったが、同じ年に、Summit OLCF-4スーパーコンピュータは、ゲノム情報を解析しながら、（FLOPSではなく）別の指標を用いて1秒間に1.8×10¹⁸回の計算を行った。これを実施したチームは、2018年のACM/IEEE Supercomputing Conferenceでゴードン・ベル賞を受賞した。

The exaFLOPS barrier was first broken in March 2020 by the distributed Folding@home project.

exaFLOPSの壁は、2020年3月に分散型のFolding@homeプロジェクトによって初めて破られた。

開発

米国

In 2008, two United States of America governmental organisations within the US Department of Energy, the Office of Science and the National Nuclear Security Administration, provided funding to the Institute for Advanced Architectures for the development of an exascale supercomputer; Sandia National Laboratory and the Oak Ridge National Laboratory were also to collaborate on exascale designs. The technology was expected to be applied in various computation-intensive research areas, including basic research, engineering, earth science, biology, materials science, energy issues, and national security.

2008年、米国エネルギー省の科学局と国家核安全保障局という2つの米国政府組織が、エクサスケールスーパーコンピュータの開発のためにInstitute for Advanced Architectures（カタルーニャ高等構築研究所）に資金を提供し、サンディア国立研究所とオークリッジ国立研究所もエクサスケール設計に協力することになった。この技術は、基礎研究、工学、地球科学、生物学、材料科学、エネルギー問題、国家安全保障など、さまざまな計算集約型の研究分野での応用が期待されていた。

In January 2012, Intel purchased the InfiniBand product line from QLogic for US$125 million in order to fulfill its promise of developing exascale technology by 2018.

2012年1月、インテル社は、2018年までにエクサスケール技術を開発するという約束を果たすために、QLogic社からInfiniBand製品群を1億2500万米ドルで購入した。

By 2012, the United States had allotted $126 million for exascale computing development.

2012年までに、米国はエクサスケール・コンピューティングの開発に1億2600万ドルを割り当てた。

In February 2013, the Intelligence Advanced Research Projects Activity started the Cryogenic Computer Complexity (C3) program, which envisions a new generation of superconducting supercomputers that operate at exascale speeds based on superconducting logic. In December 2014 it announced a multi-year contract with IBM, Raytheon BBN Technologies and Northrop Grumman to develop the technologies for the C3 program.

2013年2月、Intelligence Advanced Research Projects Activity（インテリジェンス高等研究計画活動）は、超伝導ロジックに基づいてエクサスケールの速度で動作する新世代の超伝導スーパーコンピュータを想定したCryogenic Computer Complexity（C3）プログラムを開始した。2014年12月、IBM、Raytheon BBN Technologies、Northrop GrummanとC3プログラムの技術開発のための複数年契約を発表した。

On 29 July 2015, Barack Obama signed an executive order creating a National Strategic Computing Initiative calling for the accelerated development of an exascale system and funding research into post-semiconductor computing. The Exascale Computing Project hopes to build an exascale computer by 2021.

2015年7月29日、バラク・オバマ大統領は、エクサスケールシステムの開発を加速し、ポスト半導体コンピューティングの研究への資金提供を求める国家戦略的コンピューティング・イニシアチブを創設する大統領令に署名した。エクサスケール・コンピューティング・プロジェクトは、2021年までにエクサスケール・コンピュータの構築を目指している。

On 18 March 2019, the United States Department of Energy and Intel announced the first exaFLOPS supercomputer would be operational at Argonne National Laboratory by the end of 2021. The computer, named Aurora is to be delivered to Argonne by Intel and Cray (now Hewlett Packard Enterprise), and is expected to use Intel Xe GPGPUs alongside a future Xeon Scalable CPU, and cost US$600 Million.

2019年3月18日、米国エネルギー省とインテルは、最初のexaFLOPSスーパーコンピュータを2021年末までにアルゴンヌ国立研究所で稼働させると発表した。Auroraと名付けられたこのコンピュータは、インテルとクレイ社（現ヒューレット・パッカード・エンタープライズ社）によってアルゴンヌに納入される予定で、インテルのXe GPGPUと将来のXeon Scalable CPUを搭載し、価格は6億米ドルになると予想されている。

On 7 May 2019, the U.S. Department of Energy announced a contract with Cray (now Hewlett Packard Enterprise) to build the Frontier supercomputer at Oak Ridge National Laboratory. Frontier is anticipated to be operational in 2021 and, with a performance of greater than 1.5 exaFLOPS, should then be the world's most powerful computer.

2019年5月7日、米国エネルギー省は、オークリッジ国立研究所にFrontierスーパーコンピュータを構築する契約をクレイ（現ヒューレット・パッカード・エンタープライズ）と結んだことを発表した。Frontierは2021年に稼働を開始する予定で、1.5 exaFLOPS以上の性能を持つ、世界で最も強力なコンピュータとなると見込まれている。

On 4 March 2020, the U.S. Department of Energy announced a contract with Hewlett Packard Enterprise and AMD to build the El Capitan supercomputer at a cost of US$600 million, to be installed at the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). It is expected to be used primarily (but not exclusively) for nuclear weapons modeling. El Capitan was first announced in August 2019, when the DOE and LLNL revealed the purchase of a Shasta supercomputer from Cray. El Capitan will be operational in early 2023 and have a performance of 2 exaFLOPS. It will use AMD CPUs and GPUs, with 4 Radeon Instinct GPUs per EPYC Zen 4 CPU, to speed up artificial intelligence tasks. El Capitan should consume around 40 MW of electric power.

2020年3月4日、米国エネルギー省は、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）に設置するスーパーコンピュータ「El Capitan」を6億米ドルで構築する契約を、ヒューレット・パッカード・エンタープライズおよびAMD社と締結したことを発表した。主に（排他的ではないが）核兵器のモデリングに使用されることが期待されている。El Capitanが最初に発表されたのは2019年8月、DOEとLLNLがCray社からShastaスーパーコンピュータを購入することを明らかにしたときであった。El Capitanは2023年初頭に稼働し、2 exaFLOPSの性能を発揮する予定である。AMD製のCPUとGPUを使用し、EPYC Zen 4 CPUあたり4つのRadeon Instinct GPUを使用することで、人工知能タスクを高速化する。El Capitanは約40MWの電力を消費すると見込まれている。

As of November 2020, the United States has three of the five fastest supercomputers in the world.

2020年11月現在、アメリカには世界最速のスーパーコンピュータ5台のうち3台が設置されている。

日本

In Japan, in 2013, the RIKEN Advanced Institute for Computational Science began planning an exascale system for 2020, intended to consume less than 30 megawatts. In 2014, Fujitsu was awarded a contract by RIKEN to develop a next-generation supercomputer to succeed the K computer. The successor is called Fugaku, and aims to have a performance of at least 1 exaFLOPS, and be fully operational in 2021. It was partially put into operation in June 2020 and achieved 1.42 exaFLOPS (fp16 with fp64 precision) in HPL-AI benchmark making it the first ever supercomputer that achieved 1 exaOPS. Named after Mount Fuji, Japan's tallest peak, Fugaku retained the No. 1 ranking on the Top 500 supercomputer calculation speed ranking announced on November 17 2020, reaching a calculation speed of 442 quadrillion calculations per second, or 0.442 exaFLOPS. In 2015, Fujitsu announced at the International Supercomputing Conference that this supercomputer would use processors implementing the ARMv8 architecture with extensions it was co-designing with ARM Limited.

日本では、2013年に理化学研究所計算科学研究センターが2020年に向けて、消費電力30メガワット未満のエクサスケールシステムの計画を開始した。2014年、富士通は理化学研究所から「京」の後継となる次世代スーパーコンピュータの開発契約を受注した。後継機は「富岳」と呼ばれ、最低でも1 exaFLOPSの性能を持ち、2021年にフル稼働することを目指している。2015年、富士通はInternational Supercomputing Conferenceにおいて、このスーパーコンピュータがARM社と共同設計した拡張機能を備えたARMv8アーキテクチャを実装したプロセッサを使用することを発表した。これは、2020年6月に一部運用を開始し、（LINPACKではなく）HPL-AIベンチマークで1.42 exaFLOPS（fp64精度のfp16）を達成し、史上初の1 exaFLOPSを達成したスーパーコンピュータとなった。日本の最高峰である富士山にちなんで名付けられた「富岳」は、2020年11月17日に発表されたスーパーコンピュータの計算速度ランキングTOP500（LINPACK）で1位を維持し、毎秒442兆回の計算速度、つまり0.442 exaFLOPSを達成した。

中国

As of June 2020, China had two of the five fastest supercomputers in the world (the fastest computer is Japanese Fugaku). China's first exascale supercomputer will enter service after mid-2020 according to the head of the school of computing at the National University of Defense Technology (NUDT). According to the national plan for the next generation of high performance computers, China will develop an exascale computer during the 13th Five-Year-Plan period (2016–2020). The government of Tianjin Binhai New Area, NUDT and the National Supercomputing Center in Tianjin are working on the project. After Tianhe-1 and Tianhe-2, the exascale successor is planned to be named Tianhe-3.

2020年6月時点で、中国は世界最速のスーパーコンピュータ5台のうち2台を保有してる。国防科技大学（NUDT）のコンピューティング学部長によると、中国初のエクサスケール・スーパーコンピュータは、2020年半ば以降に稼働を開始する予定である。次世代高性能コンピュータに関する国家計画によると、中国は第13次5カ年計画期間（2016年～2020年）にエクサスケール・コンピュータを開発する予定である。天津浜海区政府、NUDT、天津国家スーパーコンピューティングセンターがプロジェクトに取り組んでいる。Tianhe-1、Tianhe-2に続くエクサスケールの後継機はTianhe-3と名付けられる予定である。

欧州連合

See also Supercomputing in Europe

In 2011, several projects aiming at developing technologies and software for exascale computing were started in the EU. The CRESTA project (Collaborative Research into Exascale Systemware, Tools and Applications), the DEEP project (Dynamical ExaScale Entry Platform), and the project Mont-Blanc. A major European project based on exascale transition is the MaX (Materials at the Exascale) project. The Energy oriented Centre of Excellence (EoCoE) exploits exascale technologies to support carbon-free energy research and applications.

2011年、エクサスケール・コンピューティングの技術やソフトウェアの開発を目的としたいくつかのプロジェクトがEUで開始された。たとえば、CRESTAプロジェクト（Collaborative Research into Exascale Systemware, Tools and Applications）、DEEPプロジェクト（Dynamical ExaScale Entry Platform）、Mont-Blancプロジェクトがある。エクサスケールへの移行に基づく欧州の主要プロジェクトは、MaX（Materials at the Exascale）プロジェクトである。EoCoE（Energy oriented Centre of Excellence）は、エクサスケール技術を活用して、カーボンフリー・エネルギーの研究と応用をサポートする。

In 2015, the Scalable, Energy-Efficient, Resilient and Transparent Software Adaptation (SERT) project, a major research project between the University of Manchester and the STFC Daresbury Laboratory in Cheshire, was awarded c. £1million from the UK's Engineering and Physical Sciences Research Council. The SERT project was due to start in March 2015. It will be funded by EPSRC under the Software for the Future II programme, and the project will partner with the Numerical Analysis Group (NAG), Cluster Vision and the Science and Technology Facilities Council (STFC).

2015年、マンチェスター大学とチェシャー州のSTFCデアズベリー研究所との間で進められている大規模な研究プロジェクトScalable, Energy-Efficient, Resilient and Transparent Software Adaptation（SERT）は、英国の工学・物理科学研究評議会から100万ポンド（約1億5000万円）を授与された。SERTプロジェクトは、2015年3月に開始される予定であった。これは、「Software for the Future II」プログラムの基でEPSRCによる資金提供を受け、プロジェクトは数値解析グループ（NAG、Numerical Analysis Group）、クラスタビジョン（Cluster Vision）、科学技術施設研究会議（STFC、Science and Technology Facilities Council）と提携される。

On 28 September 2018, the European High-Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU) was formally established by the EU. The EuroHPC JU aims to build an exascale supercomputer by 2022/2023. The EuroHPC JU will be jointly funded by its public members with a budget of around €1 billion. The EU's financial contribution is €486 million.

2018年9月28日、欧州高性能コンピューティング共同事業（EuroHPC JU）がEUによって正式に設立された。EuroHPC JUは、2022/2023年までにエクサスケールのスーパーコンピュータの構築を目標としている。EuroHPC JUは、約10億ユーロの予算で公的会員から共同出資される。EUの資金拠出は4億8600万ユーロである。

台湾

In June 2017, Taiwan's National Center for High-Performance Computing initiated the effort towards designing and building the first Taiwanese exascale supercomputer by funding construction of a new intermediary supercomputer based on a full technology transfer from Fujitsu corporation of Japan, which is currently building the fastest and most powerful A.I. based supercomputer in Japan. Additionally, numerous other independent Taiwanese efforts have been made in Taiwan with the focus on the rapid development of exascale supercomputing technology, such as the Taiwanese Foxconn Corporation which recently designed and built the largest and fastest supercomputer in all of Taiwan. This new Foxconn supercomputer is designed to serve as a stepping stone in research and development towards the design and building of a state of the art Taiwanese exascale supercomputer.

2017年6月、台湾のNational Center for High-Performance Computingは、日本で最速かつ最強のA.I.ベースのスーパーコンピュータを構築している富士通から全面的な技術移転に基づき、新しい中間スーパーコンピュータの構築に資金を提供し、台湾初のエクサスケール・スーパーコンピュータの設計と構築に向けた取り組みを開始した。さらに、台湾のフォックスコン社が台湾全体で最大かつ最速のスーパーコンピュータを最近設計および構築するなど、エクサスケール・スーパーコンピュータ技術の迅速な開発に焦点を当てた台湾独自の取り組みが数多く行われている。このフォックスコンの新型スーパーコンピュータは、最先端の台湾製エクサスケール・スーパーコンピュータの設計と構築に向けた研究開発の足がかりとなるよう設計されている。

インド

In 2012, the Indian Government proposed to commit US$2.5 billion to supercomputing research during the 12th five-year plan period (2012–2017). The project was to be handled by Indian Institute of Science (IISc), Bangalore. Additionally, it was later revealed that India plans to develop a supercomputer with processing power in the exaFLOPS range. It will be developed by C-DAC within the subsequent five years of approval.

2012年、インド政府は、第12次5ヵ年計画期間 (インド)（2012-2017年）にスーパーコンピューティング研究に25億米ドルを投入することを提案した。このプロジェクトは、バンガロールのインド理科大学院（IISc）が担当することになった。さらに、その後インドがエクサフロップス級の処理能力を持つスーパーコンピュータの開発を計画していることが明らかになった。これは、承認後5年以内にC-DACによって開発される。

参照項目

• ペタスケールコンピューティング
• スーパーコンピュータ
• スーパーコンピュータ技術史
• 超伝導コンピュータ
• ニューロモルフィック工学
• ビッグデータ
• 桁違いのコンピュータ性能

情報源

• Gropp, William (2009). “MPI at Exascale: Challenges for Data Structures and Algorithms”. Recent Advances in Parallel Virtual Machine and Message Passing Interface. Lecture Notes in Computer Science. 5759. Berlin: Springer. 3. Bibcode: 2009LNCS.5759....3G. doi:10.1007/978-3-642-03770-2_3. ISBN 978-3-642-03769-6 
• Kirkley, John (2011年11月22日). “The Road to Exascale: Can Nanophotonics Help?”. enterprisetech.com. 2015年10月11日閲覧。
• 『エクサスケールの衝撃 次世代スーパーコンピュータが壮大な新世界の扉を開く』PHP研究所、2014年12月17日。ISBN 9784569818924。 
• 『プレ・シンギュラリティ 人工知能とスパコンによる社会的特異点が迫る』PHP研究所、2016年12月20日。ISBN 9784569832449。 

外部リンク

• America’s Next Generation Supercomputer: The Exascale Challenge: Hearing before the Subcommittee on Energy, Committee on Science, Space, and Technology, House of Representatives, One Hundred Thirteenth Congress, First Session, Wednesday, May 22, 2013.
• ExascaleProject.org
• TOP500 Supercomputing Sites （英語）