高性能計算

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高性能計算ハイ・パフォーマンス・コンピューティング(high-performance computing、HPC)は、計算科学のために必要な数理からコンピュータシステム技術までに及ぶ総合的な学問分野である[1]

概要[編集]

1980年代以前はベクトル計算機が主流であったが、近年[いつ?]ではスカラー計算機超並列にする方向が盛んである。HPC用クラスタをHigh-Performance Computing Cluster、HPCC(en:HPCC)という。システムの構築や利用には高いレベルの技術的スキルが不可欠であるが、汎用の部品で構成することができる。柔軟性、演算性能の面で優れ、比較的低コストであるため、並列コンピューティングによるHPCはスーパーコンピュータ業界に普及しつつある。

科学研究に使われる計算に対して用いられることが多く、関連する用語に高性能技術計算high performance technical computingHPTC)がある。工学的利用(例えば計算流体力学(computational fluid dynamics)や、仮想的なプロトタイプの構築・試験など)を指す。最近[いつ?]では、クラスタベースの高性能計算機はビジネスにも利用されるようになってきた。例えばデータウェアハウスLOBアプリケーション(line-of-business application)、トランザクション処理などである。

最も高性能なスーパーコンピュータはTOP500リストで見ることができる。TOP500は世界中の最も高性能なコンピュータシステムで構成された上位500機のリストである。リストは年に2度6月と11月に改訂され、それぞれISC(International Supercomputing Conference)とSC(Supercomputing Conference)で発表される。

GPGPU[編集]

GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units) は、「GPU (Graphics Processing Unit) による汎用計算」という意味の頭字語(イニシャリズム)で、GPU Computingとも呼ばれることがある。この文脈におけるComputingはグラフィックス処理に限らない計算処理全般を意味している[2]

GPUはその本来の用途であるグラフィックスパイプラインの要求に由来する高い計算能力とスループットを持つ、SIMDタイプの高性能高並列プロセッサである。GPUにおける演算ユニットの最小単位は「ストリームプロセッサ」[3]あるいは「ストリーミングプロセッサ」[4]と呼ばれることがあるが、このストリームプロセッサ1つ1つは単純な構造であり、OSアプリケーションソフトウェアの実行や周辺機器制御などの汎用処理全般をつかさどるマイクロプロセッサすなわちCPUのように複雑かつ広範な処理をこなすことはできない。しかし、単純な構造であるがゆえに集積度を高くすることができるため、理論演算性能(FLOPS値)に関していえば、GPUは同世代の製造プロセスにおけるCPUと比べて遥かに高い性能を持っている。また、CPUと比較して電力あたりの理論演算性能(ワットパフォーマンス、Performance per Watt)すなわち電力効率が高いのもGPUの特徴である。そのため、HPC分野においても、x86/x64ベースのCPUを多数用いるより、GPUを多数用いたほうが安価かつ効率的なシステムとなることが期待できる。

GPGPUのきっかけとなったプログラマブルシェーダーが登場した当初は、GPUはコンピュータグラフィックスに特化した設計であり、GPGPUプログラムの開発も難しかった。しかし、統合型シェーダーアーキテクチャの登場以降、CUDAOpenCLのように、GPUを汎用の並列プロセッサとしてアクセス可能なプログラミングインターフェイス (API) およびプログラミング言語拡張の標準化とサポート・普及が始まっており、C言語のようなよく使われている言語も使用可能である。ただしCUDAやOpenCLなど、GPGPUをサポートするAPIにおいてデバイス側のカーネル記述に使われるC/C++は独自拡張が施されており、CPU向けのプログラム記述に使用される汎用C/C++とは異なる。また、CUDAはホスト側のC/C++にも拡張が入っており、専用のコンパイラを使用する必要があるなど、GPGPU対応アプリケーションソフトウェアを開発するためには従来のCPU向けプログラミングとは異なる技術や知識が必要となる。

HPC向けGPU製品[編集]

NVIDIA TeslaAMD FirePro Sシリーズといった、HPC分野での汎用計算を主眼において設計されたプロセッサやグラフィックスボードも製造・販売されている。これらはNVIDIA GeForceAMD Radeonといったコンシューマー向け製品で使われるチップをベースにしてはいるが、グラフィックス出力の機能を持たず、「GPUアクセラレータ」や「コンピューティングプロセッサボード」と呼ばれることもある[5] [6]。また、PCやエントリーモデルワークステーション向けのグラフィックスカードと異なり、HPC向けにECCメモリのサポートも備えている。

採用実績[編集]

東京工業大学のスーパーコンピュータ「TSUBAME」などが、GPGPUベースの代表的なHPCシステムとして挙げられる。

TOP500の上位には、IntelAMDの汎用CPUに加えてNVIDIA Tesla GPUを多数搭載したスーパーコンピュータが名を連ねている[7] [8]

2014年11月度のGreen500においては、AMD FirePro S9150 GPUを搭載したドイツGSI研究所のL-CSCクラスターが首位を獲得した[9] [10]

メニーコアシステム[編集]

x86アーキテクチャベースのメニーコアシステムとして、IntelはコードネームLarrabeeと呼ばれる製品を開発していたが頓挫している。Larrabeeの思想自体はXeon Phiに受け継がれ、PCI Express接続による独立したアクセラレータ・デバイスとして開発・販売が続けられている。

2015年6月度のGreen500では、PEZY Computing社のメニーコアプロセッサ「PEZY-SC」[11]を搭載したスーパーコンピュータが1位から3位までを独占した[12]。PEZY-SCはPCI Express接続によるコプロセッサであり、GPU (GPGPU) と似た点もある。しかし、GPUがSIMD型 (SIMT英語版型) であるのに対し、PEZY-SCはMIMD型を採用しており、より柔軟性すなわち使いやすさやソフトウェアの開発しやすさを狙った設計となっている[13]

参考文献[編集]

  1. ^ 岩波講座計算科学別巻『スーパーコンピュータ』「はじめに」より
  2. ^ http://gpgpu.org/about
  3. ^ エルミタージュ秋葉原 – AMD、ストリームプロセッサ数896基の新ミドルレンジ「Radeon HD 7790」発表
  4. ^ ホワイトペーパー; NVIDIA の次世代 CUDA™コンピュートアーキテクチャ:Fermi™
  5. ^ サーバー用 Tesla GPU アクセラレータ | NVIDIA
  6. ^ NVIDIA Tesla K80 | 株式会社 エルザ ジャパン
  7. ^ 【PC Watch】 中国のNVIDIA Tesla搭載スパコンがTOP500の2位に
  8. ^ 【PC Watch】 TOP500でOpteron 6274/Tesla K20X搭載システムが1位
  9. ^ AMD FirePro S9150搭載マシンが、Green500でNo.1を獲得 - 最新情報 - ニュース - 株式会社エーキューブ
  10. ^ 「AMD FirePro」搭載スーパーコンピューターが Green500 Listで首位を獲得-Sapphire PGS-プロフェッショナル・グラフィックスソリューション
  11. ^ PEZY-SCプロセッサ - PEZY Computing
  12. ^ 国産スパコン“PEZYシステム”がGreen500の1~3位を独占 ~省エネ高性能を競う世界ランキングで - PC Watch
  13. ^ 100倍高速なメモリーを独自開発、異色ベンチャーの野望 | SAFETY JAPAN [セーフティー・ジャパン] | 日経BP社

関連項目[編集]

外部リンク[編集]

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