HPCの過去、現在、将来

Size: px

Start display at page:

Download "HPCの過去、現在、将来"

りえさくいし
5 years ago
Views:

1 スーパーコンピュータの将来神戸大学計算科学教育センター小柳義夫 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 1

2 目次神戸大学の先駆的取り組み 1960 年代の日米技術格差スーパーコンピュータの草創期の日米格差第 1 世代はほぼ互角第 2 世代は日本の優位日米貿易摩擦第 3 世代は超並列, HPCC, NII などによる米国の巻き返し日米貿易摩擦続く第 4 世代は米国が国を挙げてスーパーコンピュータ ASCI PITAC など日本を凌駕第 5 世代は地球シミュレータショックで米予算倍増第 6 世代は京の死と復活 T2K, pacs-cs, Tsubame, etc. 米国は ASC, HPCS. 第 7 世代は京中国米国の三つどもえポスト京への期待 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 2

経営機械化展示室あり貴重な機械や資料を保存情報処理学会分散コンピュータ博物館に認定 http://www.

3 神戸商業大学の経営機械化 1941 年我が国の大学で初めて PCS を導入した経営計算研究室 1944 経営機械化研究所電動穿孔機検孔機分類機統計機 (IBM から無償貸与 ) ナショナル銀行会計機 2000 号現在経営機械化展示室あり貴重な機械や資料を保存情報処理学会分散コンピュータ博物館に認定 /11/30 スーパーコンピュータの将来 3

4 神戸商業大学の経営機械化産業経済新聞 1943/2/24( 平井泰太郎 ) 事務会計機械の国産化人間の方が安い人間の方が機械より正確我が国では機械を作れないとの批判反論竹槍で戦闘機は落とせない兵器の機械化は理解しても事務の機械化は理解せず日本の銀行では円天井の下に百人がペンを走らせているがアメリカでは接客係と貸し付け担当者しかいないサイノグラフで 10 階の信用係と電気的に通信 /11/30 スーパーコンピュータの将来 4

5 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 5

6 HPC の歩み 50 年 Column in HPCwire Japan 2014 年 7 月から連載原則月曜更新現在 1998 年について掲載中 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 6

7 1960 年代の日米格差アメリカは集積回路に移行日本はまだトランジスタアメリカで科学技術用コンピュータの登場 CDC6600 IBM360/91 ILLIAC IVなど基本概念の確立 IBMのMain Frame (1964) Mooreの法則 (1965) Vector 処理の提唱 (1965, Senzig and Smith, IBM) Flynnの分類 (1966) Amdahlの法則 (1967, IBM) Tomasuloのアルゴリズム (1969, IBM) Intel や AMD の創立 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 7

8 スーパーコン草創期の日米格差 (1970 年代 ) Cray-1 (1976) の翌年に FACOM APU その翌年に HITAC 180 IAP など時間的には肉薄しかし性能的には段違い日本はメインフレームへの付加として設計使いやすさに主眼急速に普及ユーザーを甘やかした! 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 8

9 キラーマイクロの来襲 1990 年ごろからパソコン用の汎用プロセッサが高性能化してきたしかも価格は安いこれを並列につなげば安いスパコンに真打ち登場 IBM 社 :SP1 (1993) Cray 社 :T3D (1993) 前座の退場 1980 年代のベンチャーは廃業か吸収へ日本はベクトルを推進 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 9

10 Japanese machines in Top NWT NWT NWT NWT Todai cp-p 2 NWT NWT NWT cp-p 3 Todai NWT 4 Todai cp-p Todai 5 NEC ATP ATP KEK KEK JAERI Todai LRZ Todai 6 AES NEC Tsuku Tsuk JAERI Todai cp-p KEK 7 AES Riken Riken JAERI KEK NWT LRZ Todai 8 KEK ECMW Osak 9 NEC Kyush Todai KEK 10 Hitach Hitac NEC ECMW 11 Todai Todai JAERI Stutt 12 NEC Nagoy AES TAC ECMW LRZ Osak 13 Toho Toho Todai 14 ATP Gene JAERI Todai cp-p KEK 15 AES Tsuk ISS Nagoy NWT Kyoto 16 NEC Riken ECMW 17 Toho Toho Gene NEC Kyush TAC ISS Todai LRZ 18 AES Toho ISS Osaka KEK AES cp-p JMA 19 IMS AES ATP Osaka JAERI ECMW FZJ KEK 20 IMS Tsuk Stutt 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 10

11 第 5 世代 (2000 年代前半 ) 日本 : 地球シミュレータ (2002, TF) ( 圧倒的世界一しかし一点豪華的 ) アメリカ : 政府の強力な施策の下に大学や研究所に配備 Computonik (J. Dongarra) 予算倍増日本 : 第 2 期科学技術基本計画ではネットワークが中心地球シミュレータが世界一となると国家基幹技術としてのスーパーコンピュータがやっと話題に 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 11

12 第 5 世代の日本第 2 期科学技術基本計画 (2001~2005) IT 戦略本部 e-japan などネットワーク中心スーパーコンピュータは必要な分野で考えよ地球シミュレータ (2002, 36) 情報科学技術委員会は 2004/4 から計算科学の推進方策を議論富士通もベクトルから PRIMEPOWER HPC へ日本電気富士通の反ダンピング関税が撤廃される (2001) NAREGI project (2003-8) 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 12

13 日本第 6 世代 (2000 年代後半 ) 京コンピュータの死と復活 T2K, PACS-CS, TSUBAME, ES2 etc アメリカ DOE NSF DOD 中国の台頭天河 1 号 (2009, 0.563) 1A(2010, P, Top) 天河 2 号 (2013/6, 33.86, Top) 2015/4 アメリカ政府がチップの対中国輸出規制 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 13

14 第 6 世代の日本京コンピュータ 2005/6 総合科学技術会議が次世代スーパーコンピュータ技術を基本方針に含める 2005/7 最先端高性能汎用スーパーコンピュータ開発利用プロジェクト大規模処理 0.5P 逐次処理 1 P 特定処理 20 P 評価検討会汎用性だけを目標とする技術開発では使える計算機はできない ( 岩崎小柳など ) 21 種のターゲットアプリを選定 2005/10 理研が開発主体と決定 2006/1 文科省に推進本部設置 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 14

15 第 6 世代の日本京コンピュータ 2007/3 神戸に設置と決定 2007/4 スカラとベクトルからなる構成案 2009/5 ベクトル担当の日本電気が撤退を表明スカラだけで 10 P を目指す 2009/7 5 つの戦略分野を決定 2009/11/13( 金 ) 事業仕分け凍結決議 2009/12 見直し HPCI プロジェクト 2011/ P 達成 2011/ P 達成 Gordon Bell 賞受賞 2012/9 一般供用開始 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 15

16 2009 年 11 月 13 日金曜日行政刷新会議事業仕分け第 3 ワーキンググループ世界一になる理由は何があるんでしょうか? 2 位じゃダメなんでしょうか? 票決 : 廃止 1 見送り 6 縮減 5 結論限りなく見送りに近い縮減 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 16

17 Top20 における日本製コンピュータ ES ES ES ES ES K K 2 K 3 ES K 4 ES TIT K K K K K K 5 TIT TIT 6 NAL ES 7 Riken TIT 8 AIST 9 TIT 10 ES 11 JAXA TIT 12 AIST Roku 13 Todai TIT TIT 14 LRZ Riken ES TIT 15 JAERI AIST TIT Todai Roku TIT KEK TIT 18 KEK Todai 19 Osak AIST 20 ES Tsuk Roku 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 17

地盤都市構造物の地震応答シミュレーション避難する人間や自動車のシミュレーション 500

18 京の成果の例 UT-Heart: 分子細胞組織器官の連成解析京の全システムを使っても 1 日で 1.5 拍遺伝子の連鎖解析がミオシンの変異を肥大型心筋症の病因と同定地震津波の予測精度高度化地盤都市構造物の地震応答シミュレーション避難する人間や自動車のシミュレーション 500 億格子の乱流の直接計算自動車ターボ機械船舶燃焼器など 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 18

19 京の成果の例 ( 続き ) 超新星残骸衝撃波における宇宙線加速機構 1 兆個粒子シミュレーション生体膜膜タンパク質機能の定量解析リチウム電池のシミュレーションメタンハイドレートの分解シミュレーションタイヤのシミュレーション自動車設計のシミュレーションその他無数 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 19

20 1983 NUDT 銀河 1 号 1986/3 鄧小平 863 計画 1992 銀河 2 号 1997 銀河 3 号? 飛騰 (Feiteng) processor 2009 NUDT 天河 1 号 2010 NUDT 天河 1 号 A 2013 NUDT 天河 2 号 2015/2 NUDT や関連センターにプロセッサ禁輸 ( 米国 ) 2015/7 NUDT 独自アクセラレータで 100PF の天河 2A を実現と表明中国の HPC 1983 Inspur( 浪潮 ) マイコン発売 1984 聯想 (Legend) 創立 1992 Inspur 社サーバー開発 1995 曙光 (Sugon, Dawning) 創立 1995 Dawning Dawning Dawning 龍芯 1 号 processor 2004 Dawning 4000A 2006 申威 SW-1 processor 2008 Dawning 5000A 2008 SW-2 processor 2010 Nebula 2011 SW-3 による神威藍光 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 20

21 ポスト京コンピュータ京により多くの成果が出ているでは京で十分か? 成果が出れば出るほど性能の不足を痛感する例えば : 全球 870m メッシュの気象計算 1 日分の予報に京全系でも 20 時間掛かる精密な津波の浸水予想京では 1.5 日掛かる 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 21

22 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 22

23 エクサスケールエクサ E (10 18 ) 100 京の領域に接近演算速度 (Flops) だけが問題ではないメモリの速度省電力耐故障使いやすさなど計算科学の飛躍的発展が期待される米国では 2004 年から計画 ( 当時の最速は地球シミュレータその倍 ) 欧州中国も計画 2020~24 年を目標 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 23

24 エクサスケールで期待できる成果例ビッグデータ同化によるゲリラ豪雨予測次期衛星やフェーズドアレイ気象レーダーの高精密データと高精密シミュレーションを融合エクサスケールの計算能力が必要次世代デバイスによる消費エネルギーの削減 100 万原子レベルのシミュレーションで複合材料や化合物半導体の物性を予測解明エクサスケールの計算能力が必要 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 24

25 エクサスケールで期待できる成果例新たなエネルギー源の開発人工光合成の制御のためのシミュレーション多階層連成シミュレーションエクサスケールの計算能力が必要知能を再現する脳研究人間脳規模の神経回路シミュレーションで脳の可塑的変化を再現考えるコンピュータへエクサスケールの計算能力が必要 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 25

26 ポスト京重点課題健康長寿社会の実現 (1) 生体分子システムの機能制御による革新的創薬基盤の構築 (2) 個別化予防医療を支援する統合計算生命科学防災環境問題 (3) 地震津波による複合災害の統合的予測システムの構築 (4) 観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化エネルギー問題 (5) エネルギーの高効率な創出変換貯蔵利用の新規基盤技術の開発 (6) 革新的クリーンエネルギーシステムの実用化産業競争力の強化 (7) 次世代の産業を支える新機能デバイス高性能材料の創成 (8) 近未来型ものづくりを先導する革新的設計製造プロセスの開発基礎科学の発展 (9) 宇宙の基本法則と進化の解明 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 26

27 萌芽的課題新たに取り組むチャレンジングな課題 (10) 基礎科学のフロンティア極限への挑戦 (11) 複数の社会経済現象の相互作用のモデル構築とその応用研究 (12) 太陽系外惑星 ( 第二の地球 ) の誕生と太陽系内惑星環境変動の解明 (13) 思考を実現する神経回路機構の解明と人工知能への応用 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 27

28 専用的マシン QCDPAX Grape NWT CP-PACS ES など ( 与えられた問題に適したシステムを設計する ) Co-Design 解決すべき問題モデリングアルゴリズムコーディングコンパイラミドルウェアシステムソフトウェアアーキテクチャハードウェア汎用的マシンメインフレームベクトルコンピュータ ( 与えられたシステムをターゲットにプログラムのチューニングを行う ) 京の計画の初期は汎用だから下から上の方向だけで十分と主張されたが私などが強硬に反対し上から下の方向も重要であると力説コデザインポスト京ではコデザインが当初からスローガンとなった 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 28

29 エクサスケールの壁 ( その 1) 消費電力の壁京は 12.7 MW( そのまま外挿すると 1GW) 30MW 程度に収めたい計算よりデータ移動が電力を消費汎用プロセッサ : 高いクロックと深いパイプライン - レイテンシ ( 待ち時間 ) を重視アクセラレータ : 低いクロックと浅いパイプライン - スループット ( 総計算量 ) を重視交通信号の間隔を長くすると交通量はさばけるが待ち時間は増える日本以外はアクセラレータの活用 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 29

30 エクサスケールの壁 ( その 2) メモリの壁回路の細密化で演算性能は向上するがメモリバンド幅は増えない ( チップのピン数 ) 計算しようとしてもデータが間に合わない光接続 3 次元積層などでバンド幅を増やすプロセッサ内に大きなメモリを置きチップへのデータ転送を減らす演算量よりデータ転送を減らすアルゴリズム開発 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 30

31 エクサスケールの壁 ( その 3) 信頼性の壁素子数が増えれば故障率も増える傾向エクサでは故障が増える可能性京では品質管理実装技術水冷による低温作動などで故障率は低い ( 影響は 1% 以下 ) 故障しても部分的切り離しと交換 OS やミドルウェアや応用ソフトなどでも耐故障性を高める必要 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 31

32 エクサスケールの壁 ( その 4) プログラミングの壁京全系では 60 万スレッド以上エクサスケールでは 50~100 倍に及ぶ可能性 1 億近い並列処理をどうプログラムするか? メモリ階層の増大 ( メモリの壁 ) をどうプログラムで扱うか? コンパイラが全部面倒を見てくれるか? MPI( メッセージ通信 ) モデルが使えるか? 一対一通信が基本 : 各通信主体は可能な通信相手の数だけの通信メモリを用意する必要 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 32

33 HPCI を通した資源提供フラッグシップシステムフラッグシップシステムを支える, 特徴ある複数のシステムリーディングシステム大学研究所等のシステム 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 33

34 まとめスーパーコンピュータ技術は社会の基幹技術である独自技術開発の重要性日本は 1980 年代に一時アメリカに追いつき追い越したその結果さまざまな摩擦が起こったアメリカは日本を牽制しながら国家プロジェクトを推進した 1990 年代前半アメリカは超並列に急速に転換し日本を引き離した地球シミュレータで追い越したが BG/L 登場京で一瞬追い越したがすぐ挽回されるポスト京に期待 2015/11/30 スーパーコンピュータの将来 34

HPC の歴史から将来を見る神戸大学計算科学教育センター小柳義夫

HPC の歴史から将来を見る神戸大学計算科学教育センター小柳義夫 HPC の歴史から将来を見る神戸大学計算科学教育センター小柳義夫コンピュータ前史と神戸大学 1960 年代の日米技術格差スーパーコンピュータの草創期の日米格差第 1 世代はほぼ互角第 2 世代は日本の優位日米貿易摩擦第 3 世代は超並列, HPCC, NII などによる米国の巻き返し日米貿易摩擦続く目次第 4 世代は米国が国を挙げてスーパーコンピュータ ASCI PITAC など日本を凌駕