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きみのしんよどぎみ
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計算科学が拓く世界スーパーコンピュータは何故スーパーか学術情報メディアセンター中島浩 http://www.para.

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1 計算科学が拓く世界スーパーコンピュータは何故スーパーか学術情報メディアセンター中島浩 username=super password=computer 講義の概要目的計算科学に不可欠の道具スーパーコンピュータがどういうものかなぜスーパーなのかどう使うとスーパーなのかについて雰囲気をつかむ内容スーパーコンピュータの歴史を概観しつつスーパーである基本原理を知りどういう計算が得意であるかを学んでそれについてレポートを書く

2 スーパーコンピュータ ( スパコン ) とは () パソコンの数千倍 ~ 数万倍の規模性能を持つ巨大な超高速コンピュータ世界最大最高速マシンパソコン x 0 万京大スーパーコンピュータパソコン x 5 千パソコンで丸日かかる計算 = 秒 ~ 数 0 秒 ( ただしスパコン向きの問題をうまくプログラムしたら ) スパコンが高速な理由個々の部品 (CPU, メモリなど ) パソコン非常に多数のパソコン ( のようなもの ) の集合体パソコン = ~4 CPU 京大スパコン = 6,656 CPU 世界最高速スパコン = 86,06 CPU + 00,35 GPU 世界最大規模スパコン = 94,9 CPU スーパーコンピュータ ( スパコン ) とは () スパコンが得意な計算 = 大量 CPU による分担計算 = 超大量のデータを対象とする計算地球全体の気象気候海洋現象の予測 km あたりデータデータ数 5 億 (x 高さ方向 ) 生体物質化学物質材料の解析膨大な分子原子数 (e.g. 水 ml = 3.3 x 兆 x 00 億 ) 自動車の空力衝突解析 mm or cm 3 あたりデータデータ数 =~0 億 Web 文書の解析 ( 自動翻訳用データ作成など ) 文書数 = 数億 ~ 数 0 億

スーパーコンピュータの歴史そもそもの始まり : ベクトルマシン () 976 年 : 最初のスパコン Cray- 登場動作周波数 =80MH (< 携帯電話 ) 演算性能 =60MFlops (< 携帯電話 ) Flops: Floating-point Operation Per Second =0 進 6 桁精度の数値 (0-308 ~0 308 ) の加減乗算回数 / 秒

3 スーパーコンピュータの歴史そもそもの始まり : ベクトルマシン () 976 年 : 最初のスパコン Cray- 登場動作周波数 =80MH (< 携帯電話 ) 演算性能 =60MFlops (< 携帯電話 ) Flops: Floating-point Operation Per Second =0 進 6 桁精度の数値 (0-308 ~0 308 ) の加減乗算回数 / 秒 60MFlops = 毎秒億 6 千万回の加減乗算消費電力 =5kW 大量の数値データ ( ベクトル ) に対する同種演算が得意 976 年 ( 中島 =0 歳 ) でのスーパー度京大 ( 富士通 F30-75) < 5MFlops 京大情報工学科 ( 日立 H8350) < MFlops Intel 8086/87(978/80) 50KFlops スーパーコンピュータの歴史そもそもの始まり : ベクトルマシン ().98m.37m.74m source: 3

4 少し寄り道 : スーパーコンピュータの原理ベクトル計算の原理 () 大量数値データの同種演算を高速に行う方法例 : i i i (i =,,...) つの乗算をいくつか ( たとえば 4 つ ) の小さい操作に分ける i i i 多数の乗算を小操作ずつずらして行う倍の速度で計算できる ( ように見える ) ( 演算 ) パイプライン処理少し寄り道 : スーパーコンピュータの原理ベクトル計算の原理 () 3 4 X 乗算を 4 分割してずらす考え方 ( たとえ話真実 ) x5848= x8 +34x4 +34x8 +34x5 787x675= x +787x5 +787x7 +787x6 778x74= x +778x4 +778x +778x7 8485x65= x +8385x x x 4

キャッシュプロセッサ分散メモリ (DM) 結合網共有 & 分散メモリ階層型スーパーコンピュータの歴史もう一つの方法 : 並列マシン () 実例 ():

5 スーパーコンピュータの歴史 ( に戻って ) もう一つの方法 : 並列マシン () 980 年代 : スカラーマルチプロセッサ台頭多数のパソコン ( のようなもの ) の集合体 Sequent Balance : 0 x NS306 ( 84) Intel ipsc/: 8 x i8086 ( 85) 共有メモリ (SM) メモリキャッシュプロセッサ分散メモリ (DM) 結合網共有 & 分散メモリ階層型スーパーコンピュータの歴史もう一つの方法 : 並列マシン () 実例 (): 京大スパコン = 富士通 HX600 L 5KB L64KBx 9.0 GFlops DM: 3TB L3: MB SM (multi-core) 46 x /sec SM: 3GB 5

6 スーパーコンピュータの歴史もう一つの方法 : 並列マシン (3) 実例 (): 京大スパコン = 富士通 SE M9000 L3KBx 0 GFlops L: 6MB SM (multi-core) SM: DM: 7TB SM: TB 7 x 3GB/sec スーパーコンピュータの歴史もう一つの方法 : 並列マシン (4) 京大スパコンの全体像 HX600 クラスタノード数 = 46 コア数 = 6 x 46 = 6656 ピーク性能 = 6. TFlops Linpack 性能 = 50.5 TFlops( #58 #34 ) メモリ容量 = 3 TB SPARC Enterprise M9000 fat node サブシステムノード数 = 7 コア数 = 8 x 7 = 896 ピーク性能 = 8.96 TFlops メモリ容量 = TB x 7 = 7 TB 超高速 Infiniband 結合網通信性能 = 3.3TB/s ETERNUS 000 ストレージシステム容量 = 883TB 転送性能 = 6GB/s 6

7 また少し寄り道 : スーパーコンピュータの原理並列計算の原理大量 CPUによる同じ ( ような ) 計算の分担方法例 : i i i (i =,,..., n) n 組のデータを p 個の CPU に均等に分割するそれぞれの CPU が割当てられた計算をするおしまい n M n n n M n n n + n + M n + n + n + n n M + + n n + + スーパーコンピュータの歴史 ( にまた戻って ) ベクトル vs 並列 () 990 年代 : ベクトル並列 vs スカラー並列 TOP machine TMC CM-5 TMC CM-5 TMC CM-5 TMC CM-5 NEC SX-3 NEC SX-3 TMC CM-5 Intel Delta Cray Y-MP Cray Y-MP #proc Rmax Rpeak 巨大で (>00 万元 ) 密な連立一次方程式の求解性能に基づく世界中のスパコン順位表から毎年回発表 (6 月 & 月 ) Rmax: 求解性能 Rpeak: 理論最大性能 ( 単位 GFlops: 毎秒 0 億演算 ) 7

8 スーパーコンピュータの歴史ベクトル vs 並列 () # of ベクトルマシンスカラーマシン Peta=0 5 Rpeak BGL Roadrunner Jaguar Tianhe K #CPU ; GFLOPS CM5 XP/S40 SR0 CP-PACS ASCI-R ES ASCI-W VPP800 Rmax #CPU HPC500 HX600 Tera=0 0 0 NWT VPP500 x498/7.5 年 =x.84/ 年 >Moore の法則 (x.58) VP800 source: スーパーコンピュータの原理 ( いきなり & とりあえず ) まとめベクトルマシンつの演算を k 個の小さい操作に分割する多数の同種演算を小操作ずつずらして行う k 倍の速度で計算できる ( ように見える ) 大量 ( k) の同種演算が得意並列マシン多数の同じ ( ような ) 演算を p 個の CPU に分割それぞれの CPU が割当てられた計算をする p 倍の速度で計算できる ( ように見える ) 大量 ( p) の同じ ( ような ) 演算が得意スパコンは大量の同じ ( ような ) 演算 ( や処理 ) が得意 8

9 スーパーコンピュータの原理大量同種演算は何でも得意か? () 超得意 i i + y i 普通に得意 i = (x i + x i + x i+ ) 微妙に得意 + x + + x n 何とかなる i f(i) s.t. n 全然ダメ = f(x,0), i = f(x i, i ) スーパーコンピュータの原理大量同種演算は何でも得意か? () 超得意 i i + y i 普通に得意 i = (x i + x i + x i+ ) 微妙に得意 + x + + x n 何とかなる i f(i) s.t. n 全然ダメ = f(x,0), i = f(x i, i )

10 スーパーコンピュータの原理大量同種演算は何でも得意か? (3) 京大スパコンの通信速度 47GFlops 47GFlops 4.4μsec 3.3TB/sec=6.4Tbit/sec=00Mbit/sec 3000 個の数値 (8B) の通信時間 =4.4μsec =40480 回の演算時間 0 億個の数値 () の通信時間 = 秒 =470 億回の演算時間 /sec =3Gbit/sec =00Mbit/sec 60 まとめ & 課題スーパーコンピュータは... 大量の同じ ( ような ) 演算 ( や処理 ) が得意ただし演算どうしの依存性が少ないことが必要そんな都合のよい問題はあるのか? そこでレポート課題 ( できればスパコンに適する大規模な ) 並列計算により高い性能が期待できる実際的な問題を一つ挙げなぜその問題が並列計算に適するのかを説明せよ 0

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スライド 1 計算科学が拓く世界スーパーコンピュータは何故スーパーか学術情報メディアセンター中島浩 http://www.pr.medi.kyoto-u.c.jp/jp/ usermesuper psswordcomputer 講義の概要目的計算科学に不可欠の道具スーパーコンピュータがどうスーパーなのかどういうものかなぜスーパーなのかどう使うとスーパーなのかについて雰囲気をつかむ内容スーパーコンピュータの歴史を概観しつつ