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世界最高速のコンピュータ开発プロジェクトがスタート

キーポイント　2008年に2ペタフロップス、40骋产辫蝉ネットワーク基盘との结合、
　　　　　　　　多様なアプリケーションプログラムによる科学技术的成果の実现

概要

　东京大学、情报通信研究机构、狈罢罢コミュニケーションズ、国立天文台、理化学研究所による研究グループ（代表者：平木　敬　东京大学大学院情报理工学系研究科教授）の超高速计算システム研究开発プロジェクトである骋搁础笔贰－顿搁プロジェクト（课题名：分散共有型研究データ利用基盘の整备）は平成16年度科学技术振兴调整费に採択され、研究开発を开始する。骋搁础笔贰－顿搁プロジェクトは、2008年に2ペタフロップスの计算速度を実现するとともに、40骋产辫蝉ネットワークを高度利用した科学技术研究データ処理システムを构筑する。

　现在実施されている国内，海外の超高速计算システムプロジェクトでは、骋搁础笔贰－顿搁プロジェクトが最も早期にペタフロップスを越す予定である。(注1)

　骋搁础笔贰－顿搁は200万个の演算プロセッサをラック10本以下のサイズに超高密度に集积することにより、2ペタフロップスの计算速度を达成し（注2）、高集积の滨笔ディスク技术により、ネットワークとファイルシステムを実现する。（注3）

プロジェクトのホームページ

（注1）日本におけるプロジェクト：地球シミュレータ（2002年）40 TFLOPS(既設)），GRAPE－6(64TFLOPS, 2001, （既設）)，NAREGIクラスタコンピュータによるグリッド（100 TFLOPS, 2007年）

海外のプロジェクト：BlueGene(360 TFLOPS,2005年，米国IBM)，ASCI-Purple(100 TFLOPS, 2005年，米国ロスアラモス国立研究所)，CRAY　X1他（50 TFLOPS, 2005年末，米国オークリッジ国立研究所），PERCS (1PFLOPS, 2008年，米国IBM)，Hero(1PFLOPS, 2008年，米国サンマイクロシステムズ)，Cascade（1PFLOPS, 2010年，米国CRAY）

（注2）2ペタフロップスの计算速度は，现在，世界最速である地球シミュレータの50倍の计算速度である．1秒间に2000兆回の计算を行う．

（注3）滨笔ディスク技术とは，コンピュータとディスクとの间を専用バス（厂颁厂滨バス，ファイバチャネルなど）ではなく，一般の滨笔ネットワーク（例えばイーサネット）で结合する技术．入出力ネットワークとストレージネットワークを统合することにより，データ共有が高効率で実现する．

 

2.提案の概要

　近年の急速な計算速度，ネットワーク速度と記憶容量（メモリ，ディスク）の増大に支えられ，高速インターネットで接続したコンピュータシステム群は，科学技術の研究基盤としてなくてはならないものとなった．GRAPE－DRプロジェクトの開始時点である2004年では，10Gbpsのネットワークが普及し，欧米では科学技術用インターネット?バックボーンは数10Gbps以上となり各地のスーパーコンピュータセンターにおいてコンピュータやストレージとの接続性が確保されている．また，科学技術計算の速度では，我が国のGrape-6(64TFLPS)と地球シミュレータ(40TFLOPS)を頂点に，1 TFLOPSを越すことが常識化しつつある（によると，1罢贵尝翱笔厂は131位）．このような情报基盘を如何に有効に活用できるか，情报基盘の持続的な进化を如何に実现するかは，今后の我が国の科学技术研究ポテンシャルにとり，本质的な重要性を持っている．
　 GRID技術は，ネットワークにより分散したコンピュータ資源，ストレージ資源を，場所を意識せずに使うことを目標として，1990年代の後半から盛んに研究開発が行われ，我が国へも導入されつつある．しかしながら，ミドルウェアを中心としたGRID技術は，期待は大きいものの実際の研究の現場ではGRID自身が研究テーマでない限り，殆ど使われていないのが現状である．一方，高い計算能力を低コストで得るための手法としてのクラスタ計算機は，現実的に設置可能なサーバ台数の限界から汎用MPUを用いるだけでは100TFLOPSを越す性能の達成は困難であり，次世代の科学技術研究のための情報基盤として性能面での限界を持つ．
　 GRAPE－DRプロジェクトは，上記問題点を克服し，科学技術研究の現場で，高速インターネット，コンピュータシステムと大容量ストレージの持つ能力を世界最高の性能レベルで活用する情報システム基盤を構築することを目的とする．具体的には，ネットワークで接続されたシステムの集合体によって，1　科学技術データの分散共有（データ転送を含む），2　分散透明性を持ち，超高速の計算能力と，3　科学技術データに対す分散的超高速データベース処理（複雑データの探索，発見的データベース処理等）を実現する．すなわち，研究者が今まで手にすることが出来なかったレベルの情報サービスを，計算機科学以外の分野の研究者から実用的に使える形で提供することである．
　 1Gbpsのネットワーク，100GFLOPSのPCクラスタ，1テラバイトのストレージが容易に入手できる今日，科学技術研究の現場で研究基盤として成立するためには，少なくとも，1　通常のサーバ?ミドルウェアでは実現できない100Gbpsレベルの超高速ネットワーク、PFLOPSレベルの超高速計算能力と、それらをスケーラブルに高効率利用が可能なデータの分散共有能力，さらに遠隔地間に分散した多量データ全体に対し，超高速のデータベース処理能力が備わっていることが必要であり，それらを実現することがGRAPE－DRプロジェクトの具体的目的である．

 

3．2ペタフロップス実现の方法

　単一プロセッサの性能の限界を超す超高速计算システム构筑は必然的に并列?分散アーキテクチャを用いることが必要であり，现在実施されている全ての超高速计算システムプロジェクトは并列?分散アーキテクチャを採用している．
　 しかしながら，ペタフロップスを越す性能を持つシステムの実現には，（1）設置面積，（2）消費電力（3）ユーザが得られる実質的性能（実行効率），および（4）システムの信頼性が困難な課題として現出する。例えば，現在主流である汎用プロセッサを用いた汎用サーバを多数個結合するクラスタコンピュータまたは，それを分散的に結合したGridシステムではペタフロップスを越すシステムの実現は困難である（注4）．すなわち，科学技術の研究の現場が求めている計算システムは（1）小型，（2）低消費電力，（3）高実行効率で（4）研究者が直接使える信頼性を持つことが強く求められる．

　骋搁础笔贰－顿搁システムはこの困难な课题を骋搁础笔贰シリーズのコンピュータ开発（注5）で培われた超并列计算方式を汎用化し，プロセッサの超高集积化とストレージの滨笔化による超分散化により実现する.具体的には

1. 1チップに1024プロセッサを集积．
2. 新アーキテクチャの採用により，プロセッサ间を直接パイプライン?ネットワークで结合することによる超低遅延时间のプロセッサ间データ転送の実现（10ナノ秒以下）（注6）
3. ラック8本に100万プロセッサを高密度実装することによる，面积?电力の低减
4. 超低遅延时间のネットワーク结合が実现する高并列実行効率
5. 滨笔ストレージ（颈厂颁厂滨プロトコルによる）の超高速実现による，分散共有ストレージの利用
6. データレゼボワール技术（注7）の拡张による超高速ネットワークの高度利用
7. 小型で低消费电力の実现による高信頼化

　が基本技术である．

（注4）現在建設中の世界最高速クラスタであるASCI－Purpleシステムでは，1個のノードが8 GFLOPSの演算性能を持つ。サイズ，消費電力をプロセッサあたり1Uサイズ，200ワットと仮定するとプロセッサ部分だけで312ラック（高さ40Uラック換算），2.5メガワットの電力が必要である。今後数年間で，プロセッサの演算性能が2倍向上すると仮定しても，1ペタフロップスの実現には1560ラック，125メガワットの消費電力が必要となり，実現が非常に困難であるとともに，信頼性の低下が予想される．
　 また，クラスタシステム間を超高速ネットワークで接続するGrid的形態では，クラスタ内の通信遅延時間が数マイクロ秒，クラスタ間の通信遅延時間が数ミリ秒となり，1個のプロセッサの演算時間と比較し，クラスタ内で数千倍，クラスタ間では数100万倍の通信遅延である.従って，1個のプログラムが内包する並列性を有効に利用することが著しく困難である．その結果，クラスタ計算機，特にGrid的形態ではプロセッサ相互通信が非常に少ない自明並列性の利用が主に使われる使用形態であることが現状である．

（注5）骋搁础笔贰シリーズの天体シミュレーション専用コンピュータは，本研究开発担当者の一人である牧野淳一郎により开発され，惑星生成?银河生成分野において多くの成果を挙げている．骋搁础笔贰シリーズは，世界最高速の実用计算を行ったコンピュータに対して与えられるゴードンベル赏を过去1995,1996,1999,2000,2001,2003年の6回受赏している。最新の骋搁础笔贰－6は，64テラフロップスの计算速度である．骋搁础笔贰－1から骋搁础笔贰－6までは，演算器间の接続が问题の方程式に従って固定化されていたため，非常に狭い応用分野でしか利用することができなかったことに対し，骋搁础笔贰－顿搁では演算器间を可変接続することが可能なため，汎用に用いることが可能である．

(注6)　骋搁础笔贰－顿搁では，プロセッサ间を直接パイプライン?ネットワークで结合し，プロセッサ间で直接演算データを渡すため，フォンノイマン计算机に见られるメモリアクセスボトルネックを回避することが可能である。命令の実行制御はプロセッサ间のデータ移动をコンパイラ等により静的に管理するスタティック?データフロー方式を用いている．

(注7)データレゼボワールは，本研究开発担当者である平木，稲叶らにより2001年から2004年に実施された科学技术振兴调整费プロジェクト「科学技术研究向け超高速ネットワーク利用基盘の整备」により开発された，データの分散共有システムであり，日米间のディスク间データ共有を超高速で実现することに対し，スーパーコンピューティング国际会议併设のバンド幅チャレンジにおいて，2002年，2003年と连続受赏した．

 

4．骋搁础笔贰－顿搁上で実行する科学技术计算

　超高速な科学技術用計算システムを研究開発する目的は，ベンチマークプログラムで高い数値を出すことではなく，科学技術としての意義のある計算結果を達成することにある．GRAPE－DRプロジェクトでは，(1)重力多体系シミュレーション，(2) SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) によるグリッドレス流体計算，(3)分子動力学計算，(4) 境界要素法計算，(5) ゲノムのシーケンスマッチング，(6) 質量分析データに対する高次データ検索，(7) ゲノムデータベースに対するグラフマッチングを用いた機能探索の7分野において，当該分野における研究者を分担者として，ソフトウェア開発を実施し，科学技術的に意義のある計算結果を出す予定である．

参考図1　骋搁础笔贰－顿搁の実装方法

 

参考図2　骋搁础笔贰－顿搁内部构成