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1 京速コンピュータ 京 を知る集い 世界最速スーパーコンピュータ 京 平成 23 年 12 月 17 日 理化学研究所次世代スーパーコンピュータ開発実施本部渡辺貞 0

2 内容 スーパーコンピュータとは? スーパーコンピュータの応用例スーパーコンピュータの歴史スーパーコンピュータの高速化世界のスーパーコンピュータ開発と日本の位置づけスーパーコンピュータプロジェクト - 世界最速 京速コンピュータ : 京 - スーパーコンピュータの施設 1

3 スーパーコンピュータとは? 2

4 スーパーコンピュータとは? Wikipedia より スーパーコンピュータとは 加減算などの数値演算が一般的なコンピュータよりも桁違いに速いコンピュータで 主として科学技術計算に使われるコンピュータ 3

5 どのくらい速いか? 10PF 1PF 京 天河 1A( 中国 ) Jaguar( 米 ) 10 5 km/h 100TF 10 4 km/h 地球シミュレータ ( 初代 ) 10TF 1000 km/h 1TF サーバ 100 km/h 100GF PC 10 km/h 1GFlops=1,000,000,000 演算 / 秒 1TFlops=1,000,000,000,000 演算 / 秒 1PFlops=1,000,000,000,000,000 演算 / 秒 4

6 第 3 の科学 : 計算科学 理論 実験 計算 ( 数値シミュレーション ) 超長時間の現象 : 宇宙, 気候, 環境超短時間の現象 : 核融合, 衝突, 燃焼実験不可能 : 結晶 / 分子構造, 安全解析, 気象 計算機実験 = 数値シミュレーション 膨大な計算量 超高速コンピュータ ( スーパーコンピュータ ) 5

7 スーパーコンピュータで何ができるか? スーパーコンピュータを使った数値シミュレーションで対象物を拡大 / 縮小あるいは時間を延長 / 短縮することにより 目に見えないもの 予測できないもの実験不可能なものを目で見 予測し 実験を行うことができる 6

8 スーパーコンピュータの応用例 7

9 気候変動予測 ( 地球温暖化 ) 動画 提供 :AORI/NIES/JAMSTEC/MEXT 8

10 Ground motion and tsunami simulations using the tsunami-coupled equation of motion in 3D Maeda and Furumura (2011) Pure and Applied Geophysics under review 動画 [Present] Resolution: 1km CPU Time: 2 hour (ES 64 node) [Expected] Resolution: 0.25 km CPU Time: < 10 min (K Computer) 提供 : 東大前田 古村 9

11 膜たんぱく質と水分子 動画 提供 : 高田 (MEXT) 10

12 スーパーコンピュータの歴史 11

13 スーパーコンピュータの歴史 1P T システム性能 Earth Simulator SX-8 ASCI Roadrunner BlueGene/L 京 Jaguar Tianhe-1A FLOPS 10T T G G G M M S-810/20 X-MP SX-2 VP-200 SX-3 CRAY-2 Y-MP8 S-820/80 VP-400 Paragon NWT/166 CM-5 C90 VP2600/1 0 ASCI Red SX-4 VPP500 T3D SX-3R S-3800 ASCI Q ASCI White SX-6 VPP5000 SX-5 SR8000G1 VPP800 ASCI Blue VPP700 ASCI Blue Mountain T3E SR8000 SR2201/2K T90 SR2201 CPU 性能 CPU 周波数 並列度の増大 10GHz 1GHz 100MHz 1M Year 10MHz 12

14 Cray-1 (1976) Seymour Cray 13

15 NWT (1993) 14

16 CP-PACS(1996) 15

17 70 年代のスパコンと現在のスパコン Cray-1 (1976) Sourced from 単一 CPU システム 地球シミュレータ (2002) 超並列システム 技術の進歩 (Cray-1と京) Cray-1(1976) 京 (2012) 倍率 性能 160MFlops >10PFlops 6,000 万倍以上 メモリ容量 8Mバイト >1Pバイト 1 億 2000 万倍以上 16

18 スーパーコンピュータの高速化 17

19 コンピュータの性能 ( 計算速度 ) を高めるには 速度 (S) = 処理量 (Q) 時間 (T) 大 小 並列度を増大 処理時間を短縮 並列度を増大 :CPU 数 演算器数 メモリバンド幅など 処理時間を短縮 : クロック時間短縮 ( 周波数大 ) データ呼出し時間短縮など 18

20 並列度を増大 演算器数を増やす 制御部 制御部 +-x / +-x / CPU CPU 数を増やす +-x / +-x / CPU CPU CPU メモリ メモリバンド幅を増やす NETWORK... CPU CPU CPU メモリメモリメモリメモリ CPU CPU メモリ メモリ 19

21 処理時間を短縮 クロック時間の短縮 ( 周波数の向上 ) 半導体の集積度の向上 ( プロセスの微細化 ) ムーアの法則半導体の集積度 ( トランジスタ数 ) は 1.5 年 ~2 年で 2 倍の向上 20

22 京 の半導体技術 45 ナノ 半導体プロセス M9 CPUチップ 7 億 6 千万トランジスタ 58W@30 128GFLOPS 断面図 Cu Low- K Cu M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 Source Gate Drain トランジスタ 45 ナノとは?(1 ナノ メートル =10-9 メートル ) ~2cm ~2cm ~200m ~200m 東京ドームにおよそ 0.5mm の電気配線をするのと等価な技術或いは 7~8mm 間隔でトランジスタを全面に敷き詰める程度の技術 21

23 高速演算の仕組み パイプラン演算 ( 処理 ) 加算 (c=a+b): 車の組み立てラインと同様 下記処理を連続して実行する データ読出し ( 回路 ) 桁合わせ ( 回路 ) 加算 ( 仮数部 )( 回路 ) 正規化 ( 精度調整 )( 回路 ) 結果格納 ( 回路 ) a: x10 3 a: x10 3 a: x10 3 b: x10 2 b: x10 3 バケツリレー 池 = メモリ +) b: x x10 3 人 = 演算器 x10 4 C: x10 4 a c 高速化 : バケツの引渡しピッチを速くする クロック高速化 ( 周波数を高める ) 人と人との距離を詰める 高密度実装 ( 半導体の集積度を高める ) b 読出し 桁合わせ加算正規化 結果格納 バケツリレーを複数同時に行う 並列化 ( 演算器を複数備える ) 22

24 並列処理 ( 並列演算 ) の仕組み リチャードソンの夢 (1920 年代 ) 円形劇場に 64,000 人を集め 各人に紙と鉛筆を持たせ 地球を格子状に分割して 温度 湿度 気圧等を計算 気象予報における並列計算 各格子点の温度 湿度 気圧等を並列計算 格子 (mesh) シミュレーション ( 計算 ) 結果 23

25 世界のスーパーコンピュータ開発 24

26 世界第一位の評価 TOP500 リストで 2 期連続世界第一位! (LINPACK 性能テストで 10PFlops 達成 ) H23.6 H23.11 性能値 8.16PFlops 10.51PFlop s 抜群の高性能 第 2 位の 3 倍以上の性能 2 位 ~6 位を足した性能を上回る 第 2 位の 4 倍以上の性能 2 位 ~8 位を足した性能を上回る 順位 システム名称 サイトベンダー国名 Linpack 演算回数 ( テラ FLOPS) 1 K computer 理研計算科学研究機構 Fujitsu 日 10,510 高い信頼性 高負荷下 28 時間連続走行 高負荷下 29.5 時間連続走行 2 天河 1A 号 天津スパコンセンタ NUDT 中 2,566 3 Jaguar オークリッジ研 Cray 米 1,759 4 Nebulae( 星雲 ) 深圳スパコンセンタ Dawning 中 1,271 5 TSUBAME2.0 東京工業大学 NEC/HP 日 1,192 6 Cielo ロスアラモス研 ( サンテ ィア 研 ) Cray 米 Pleiades NASA エイムス 研究センタ SGI 米 1,088 高効率システム効率 93.0% 効率 93.2% 8 Hopper ローレンス ハ ークレイ研 Cray 米 1,054 9 Tera-100 原子力庁 ( エネルキ ー研 ) Bull 仏 1, Roadrunner ロスアラモス研 IBM 米 1,042 25

27 世界のスーパーコンピュータ開発 米国は, 軍事利用を中心に産業, 科学技術 学術研究での利用のため, 複数の大規模プロジェクトを並行して推進. 我が国のスパコン性能は, 2004 年 6 月, 地球シミュレータが, 世界スパコン性能ランキング (TOP500) で第 1 位を獲得したのが, 最後だった 年 6 月第 1 位を京で奪取. 引き続き 2011 年 11 月に第 1 位を獲得 中国がスーパーコンピュータの開発で力をつけてきている 年 11 月に国防科学技術大学 (NUDT) の天河 1A (Tianhe-1A) が,TOP500 で世界第 1 位. 第 3 位も中国 (Nebulae). 現在 天河 1A は 第 2 位 2011 年 10 月 自国開発の CPU で 1 ペタシステム開発 2011 年 6 月 11 月ともに日本のトップは京 東工大の TSUBAME2.0 が世界第 5 位 ピーク性能 100 ペタ 10 ペタ ( 京速 ) 1 ペタ 100 テラ 10 テラ 1 テラ ( 兆速 ) 設置済 計画 ASC 計画 Red 数値風洞 ( 航技研 ) 日米中 CP-PACS( 筑波大 ) 地球シミュレータ ( 海洋機構 ) ASC 計画 White ASC 計画 Q IBM 撤退 ASC 計画 Purple ASC 計画 Road Runner BlueGene/L ASC 計画 Red Storm '94 '96 '98 '00 '02 '04 '06 '08 '10 京 Cyber Infrastructure 計画 BlueWaters HPCS 計画 PERCS 天河 1A(Tianhe-1A) 米国が開発星雲 (Nebulae) を加速 Mira ASC 計画 Sequoia Pleiades 計画 Pleiades HPCS 計画 PERCS NLCF 計画 Jaguar Sunway BlueLight ASC 計画 BlueGene/P 地球シミュレータ 2 ( 海洋機構 ) ( 注 ) ASC 計画 :Advanced Simulation and Computing 計画 ( 米国エネルギー省 ) NLCF 計画 :National Leadership Computing Facility 計画 ( 米国エネルギー省 ) HPCS 計画 :High Productivity Computing System 計画 ( 米国国防省 ) Cyber Infrastructure 計画 : 米国科学財団 Pleiades 計画 : 米国航空宇宙局 '12 [ 年 ] Titan 26

28 スーパーコンピュータプロジェクト - 世界最速 京速コンピュータ : 京 - 27

29 京 の名称 京 10 16,or10 ペタ (flops システム ) アーチ / 門 ( 計算科学の新時代を開く ) 28

30 京 の整備状況と予定 平成 22 年 9 月 29 日に計算機本体 ( 筐体 ) の搬入開始. 平成 23 年 4 月より, 整備中の計算機本体の一部 (16 筐体 ) を, アプリケーション ユーザ ( グランドチャレンジ及び戦略分野の一部のユーザ ) に提供し, 試験利用を開始.( 現在 最大 2 ペタフロップスが利用可能 ) 平成 23 年 6 月 20 日 ISC 11( 独 ハンブルク ) にて, 第 37 回 TOP500 リストで第一位を獲得. 低消費電力システム Green500 で世界 6 位 ( 汎用且つ実運用システムでは世界一 ) 開発日程 現在 平成 23 年 11 月 14 日 SC11( 米 シアトル ), 第 38 回 TOP500 リストでも 引き続き第一位を獲得. 平成 23 年 8 月本体機器の搬入完了, システムソフト評価を継続中 ( 予定 ) 平成 24 年 6 月システム完成 ( 予定 ) 平成 24 年 11 月共用開始 性能値 平成 23 年 11 月 LINPACK 10 ペタフロップス達成 理論性能 ペタフロップス ペタフロップス 実行効率 93.2% 問題サイズ 11,870,208 実行時間 29 時間 28 分 29

31 システムの特長 世界トップクラスの演算性能と汎用性 ( 使いやすさ ) の両立 LINPACK 10ペタフロップス (1 秒間に1 京回 ) ペタフロップス級のアプリケーション実効性能 広範囲のアプリケーションに対応可能 性能 高性能と低消費電力の両立 CPU:128GFLOPS,58W(LINPACK 時 )@30 45nm CMOS プロセス 2.2GFlops/W, ワット当たりの演算性能で世界トップレベル 使いやすさ 信頼性 消費電力 高い信頼性の確保 壊れない, 壊れても全てが止まらない. 壊れた部分はすぐ直せる ネットワークの高信頼性化 : 自動代替経路, 自動再構成機能サーバ二重化 ファイル経路二重化など 30

32 理用 制御用ネットワークシステム構成概要 制御用サーバ群 構成, 制御 管理用サーバ群 ジョブ管理ユーザ管理 計算ノード群 ノード数 (CPU 数 ): 88,128 コア数 : 705,024 メモリ量 : 1.27PB 6 次元メッシュ / トーラス結合ローカルファイルシステム群グローバルIOネットワーク管グローバルファイルシステム 30PB 以上 フロントエンドサーバ インターネット 研究者 31

33 計算ノード群の構成 計算ノード数 (CPU 数 ): 82,944 IO ノード : 5,184 コア数 :663,552(IOノード含:705,024) ピーク演算性能 :10.6(11.3)PFLOPS メモリ総容量 : 1.27PB( ノード当り 16GB) ( 理論ピーク ) 5GB/s x 双方向 ネットワーク : ユーザービューは 3 次元トーラス帯域 : 3 次元の正負各方向にそれぞれ 5GB/s x 2( 双方向 ) 理論ピーク ケーブル : 約 200,000 本, 約 1,000km SPARC64 TM VIIIfx 5GB/s x 双方向 ( 理論ピーク ) z ノード CPU: 128GFLOPS (8cores) Core Core SIMD(4FMA) Core SIMD(4FMA) Core SIMD(4FMA) Core SIMD(4FMA) Core SIMD(4FMA) Core16GFlops SIMD(4FMA) Core16GFlops 16GFlops SIMD(4FMA) 16GFlops SIMD(4FMA) 16GFlops 16GFlops 16GFLOPS 16GFlops L2$: 6MB 64GB/s MEM: 16GB 5GB/s x 双方向 ( 理論ピーク ) y x ( 理論ピーク ) 5GB/s x 双方向 3 次元トーラスのイメージ 提供 : 富士通 ( 株 ) 32

34 プロセッサ構成 8 コア構成, 各コア 256 本の浮動小数点レジスタを備えたスーパースカラ方式 SIMD 拡張 ( 積和演算器 2 個 x 2 セット ) コア当り 16GFLOPS,CPU 当り 128GFLOPS コア共有の 2 次キャッシュ (6MB,12way) ハードウェアバリア機構プリフェッチ機構セクタキャッシュ機能 データ供給能力レジスタ L1 キャッシュ間 :4B/FLOP L1 キャッシュ L2 キャッシュ間 :2B/FLOP L2 キャッシュ 主記憶間 :0.5B/FLOP CPU 性能 128GFLOPS(16GFLOPSx8 コア ) コア数 浮動小数点演算器構成 ( コア当り ) キャッシュ構成 8 個 仕 様 提供 : 富士通 ( 株 ) 22.7mm x 22.6mm 760 M トランジスタ消費電力 :58W( 水冷,30 時 ) 周波数 :2GHz 積和演算器 :2 2 個 (SIMD) 逆数近似演算器 :2 2 個 (SIMD) 除算器 :2 個比較器 :2 個 浮動小数点レジスタ (64 ビット ):256 本グローバルレジスタ (64 ビット ):188 本 1 次命令キャッシュ :32KB(2way) 1 次データキャッシュ :32KB(2way) 2 次キャッシュ :5MB(10way) コア間共有 メモリバンド幅 より詳細な情報は, SPARC64 TM VIIIfx Extensions を参照のこと 64GB/s(0.5B/F)

35 京 のハードウェア構成 システム全体 計算ラック 864 計算ラック群 計算ラック 計算ラック 8 システムボード 24 IO システムボード 6 計算速度 :1 京回 / 秒 =10 ペタフロップスメモリ容量 :.1.27PB ノード CPU 1 ICC 1 メモリ システムボード ノード 4 計算速度 :98.4 兆回 / 秒メモリ容量 :12TB 計算速度 :1280 億回 / 秒メモリ容量 :16GB 計算速度 :5120 億回 / 秒メモリ容量 :64GB 計算速度 :12.3 兆回 / 秒メモリ容量 :1.5TB 34

36 スーパーコンピュータの施設 35

37 計算科学研究機構の立地 計算科学研究機構 < 機構長 > 平尾公彦 < 設立 > 平成 22 年 7 月 1 日 < 職員数 > 88 人 ( 非常勤含む ) ( 平成 23 年 7 月 1 日現在 ) 京コンピュータ前駅 < 所在地 > 兵庫県神戸市中央区港島南町 < 敷地面積 > 約 2ha( 準工業地域 ) < 総電力 > 最大約 20MW( 計算機システム ) < 電力設備 > 70kV 特高受電 コージェネレーション発電併用 < 冷却設備 > 計算機棟空調機台数 :B1F 計 14 台 2F 計 50 台 36

38 計算科学研究機構の施設 研究棟 延床面積 約 9,000m2 建築面積 約 1,800m2 構 造 鉄骨造地上 6 階地下 1 階 研究棟 熱源機械棟 計算機棟 計算機棟 延床面積 約 10,500m2 建築面積 約 4,300m2 構 造 鉄骨造 地上 3 階地下 1 階 研究棟 計算機棟 特高施設 居室居室 計算機室 50m 60mの無柱の大空間計算機筐体 居室 空調機械室 居室 空調機 居室居室 居室 計算機室グローバルファイルシステム 熱源機械棟 特別高圧電源施設 空調機械室等 空調機械室 空調機 研究棟 計算機棟の断面図 37

39 施設の特長 地盤改良と基礎免震構造液状化に備えて地盤改良免震構造の建屋 無柱のコンピュータ室 (60m x 60m) 自由な筐体配置とケーブル配線長の短縮床加重 : 1 ton/m 2 床上げ : 1.5m ( ケーブル配線と水パイプ ) 省エネと環境への配慮コジェネ (5MW x 2) の廃熱利用雨水と冷却用水の再利用屋上に太陽光パネル ( 約 50KW) 屋上緑化消音効果を高める建屋形状 38

40 システム設置状況 39

41 ご静聴ありがとうございました 40