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次世代日の丸スパコン、スカラー部は何を開発するのか？

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前回は数値データ的に日の丸スパコンのベクター部は不要と言う話をした。ではスカラー部では何を開発するのか？
BGL/BGP、Opteron、Core2-Xeon、Power6、Cell、と有力プロセッサーがひしめく中、日の丸スパコンは何を開発するのか？

BGLの系列は、2005年BGL-PPC440(90/130ｎm）-2コア-64ラックで280TFLOPS/367TFLOP(実行性能/理論性能）を実現し、2008年には後継機BGP-PPC450（65nm)-4コアー72ラックで1Petaを達成予定である。
IBMは2007年6月にBGLの後継機BlueGene/Pを発表した。CPUはPPC440を改良したPPC450で、チップ当たりのコア数は2倍の4個、クロック数は700MHZから850MHZへ1.2倍引き上げ、全体でおよそ2.5倍の性能向上を図った。消費電力はクロック増加率から1.5倍程度の増加と考えられる。この結果、構造的変更無くBGPは１ラックで14.3TFLOPSとなり72ラックで1ペタフロップスが実現可能と発表されている。消費電力は1ラック41KW程度で、29KW /TFLOPSとなるので、1ペタで2.9MWということになる。
しかし、このBGPでも10PFLOPSには届かない。ラック数的には地球シミュレータの320ラックが最大で、米国ではLLNLのASC-パープルのファイルサーバーを含めちた200ラック強が最大であったと記憶している。従ってBGPでも216ラックで3PFLOPSか288ラックで4PFLOPSが限界であろう。となると、10PFLOPSには45nmの8コア版か必要で、それでもまだ足りず、発熱対策を慎重に行った上でクロックを少し上げるなどの措置が必要であろう。

Opteronの系列は2006年11月にサンディア研究所のレッドストームがDualコア2.4GHZ-135ラックで101TFLOPS/127TFLOPSを実現している。概ね1ラック1TFLOPSである。
2007年6月にはオークリジ研究所にRedStormの改良版であるCray-TX4による101.7T/119.4Tのジャガーが設置され、１PFLOPSを目指している。
2007年末にはSUNとテキサス大が共同してOｐteron4コアで、レインジャーと言う519TFLOPS機を実現すると発表している。概ねレッドストーム4倍の性能である。詳細は発表されていないが、CPU単体が2コアから4コアへの増強で2倍、K10アーキテクチャーでFPUが2倍で全体で4倍、2.6GHZで微増といった計算で、目安は1ラック4TFLOPS、125ラック程度であろう。

POWER系は先日Power6-4.7GHZ-65nmが発表され、Power5-1.9GHZの2倍程度の性能向上と発表されている。LLNLのパープルはPower5で演算用約120ラック、.75.76T/92.78T　であったので、Power6に入れ替えると150T/185Tは実現できる。しかし演算ラック数を倍にしても400TFLOPS程度である。Power6はDualコアなので、45nmで、4コアにすることで倍の800TFLOPS。さらにクロック若干上げて、何とか1PFLOPSといったシナリオであろうか。

IntelのCore2系もOpteron、Powerなどと同様であるが、チップ製造技術アドバンテージがあるので早めに8コア、16コアが出てくる可能性は高い。　Itanium2は、Core2がSSEを改善しFPU機能を強化したため、Pentiumに対するようなアドバンテージはなくなってしまっており厳しい状況になっている。

今年2月Intelはテクノロジ-デモとして80コアチップを展示した。これは各コアが単精度FPUを2基有するもので、積和命令ありなので、クロック１GHZでは単精度4GFLOPSとなり、80コアで単精度320GFLOPSということになる。ハードウエア的に倍精度が可能かどうかは不明であるが、倍精度が可能であるとしても、性能的には半分の160GFLOPSである。クロックは実験室レベルで5GHZ程度まで可能とのことであるので、安全を見て、3GHZとすると、480GFLOPSである。
これは、東工大のTSUBAMEが使用しているFPUアクセラレータのClearSpeeｄとほとんど同じで、FPUアクセラレータとして考えたほうが理解がしやすい。しかも、東工大の例で判るとおり、アクセラレータは理論性能は高いが、多くの場合、データの供給（バンド幅）にネックがあり、全く理論性能とはかけ離れた低実行性能になってしまうのが恒である。このIntelの80コアチップも、巨大なバンド幅（演算実行値の16倍程度）を確保できないと、480GFLOPS実現は絵に描いた餅になってしまうであろう。

アクセラレータを使うスパコン計画としては、ロスアラモス研究所のROADRUNNERがある。これはPS３のCELLを倍精度化し、OpteronのFPUアクセラレータとして使用し、2010年までに理論性能１.6PFLOPS、持続的実行性能１PFLOPSを目指すプロジェクトで2006年から開始さsれている。
確かに、メニーコア、FPUアクセラレータという考え方は、１PFLOPSや10PFLOPSを考える場合、一つの有力な方式であり、ある意味では、BlueGeneの考え方も、メニーコア、アクセラレータと同じようなものである。ポイントはデータ供給のバンド幅で、実際的にはかなり難しそう。

まとめると、スカラー系のプロセッサーでは、BGLの系列のみ10PFLOPSへのシナリオが描けるが、Opteron、Powerとも１PFLOPSまではRoadmapが描けるが、10PFLOPSへはかなり厳しいものがあり、アクセラレータのアプローチは参考になると思える。

こうした状況下で、次世代日の丸スパコンの概要設計の審査報告では、10PFLOPSは「可能」との結論を出しているが、その積み上げの詳細は発表されていない。一般国民には検証不能なのである。米国では様々な方面から1PFLOPSに向けた地道な試みがなされている。ところが１PFLOPSの10である10PFLOPSを目指す次世代日の丸スパコンは何を積み上げて10PFLOPSに到達するのか根拠を公表できないということは、税金の使途予定として極めて問題であろう。リスクが高く、プロジェクトがつぶれる可能性が高いということ。
となると、高いリスクを背負って、方式的に米国各社のものと大差がないものを作るのであるなら、敢えて高いコストを払って開発を行う意味があるのかどうか検証すべきであろう。

リスクの高いプロジェクトに1180億円もの税金を使うくらいなら、出来合いの機械をすぐにでも買ってきて、全国の拠点にばら撒き、スパコンを使いたくても使えないで居る多くの研究者に使用機会を与えたほうが、どのくらいましかわからない。

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ベクタープロセッサーは必要か？

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次世代日の丸スパコンはベクタープロセッサ部とスカラープロセッサー部で構成される、ハイブリッド構成のスパコンで、ヘテロジニアス構成とも呼ばれることがある。目標は１０PFLOPSで、2010年末までに運用を開始し、2011年6月のTop500で1位にランクされ、同時に、HPCCベンチマークの中の主要4項目でもトップにランクされることである。

現在、スパコンのトレンドはスカーラーであり、Top500のうち、わずか6台(1.2％）がベクタープロセッサーである。この事実は、既に、ベクタープロセッサは世界のスパコン市場から淘汰されたということを物語っているのであろう。当然、流通するソフトウエアもほとんどがスカラー型用のプログラムであり、ベクタ型を前提とした新規プログラムはなくなり、自然に消滅してゆくはずである。
かろうじてこのベクタ型プロセッサーを供給しているのは世界でNECとCRAYだけである。

Top500の中のベクター型スパコンをリストアップしたものが以下である。
20位　地球シミュレータ/NEC-SX-6　実行性能35,86TFLOPS、理論性能40.96TFLOPS、実行効率87.55%
53位　韓国気象庁/Cray-X1E　実行性能15.71TFLOPS、理論性能18.44TFLOPS、実行効率85,20%
58位　オークリッジ研究所/Cray-X1E　実行性能14,96TFLOPS、理論性能18.33TFLOPS、実行効率81.61%
108位　シュトゥトガルト大/NEC-SX8 実行性能8.92TFLOPS　離村性能9.22TFLOPS、実行効率96.75%
489位　仏気象庁/NEC-SX-8R 実行性能4.06TFLOPS、理論性能4.51TFLOPS、実行効率90.02%
490位　仏気象庁/NEC-SX-8R 実行性能4.06TFLOPS、理論性能4.51TFLOPS、実行効率90.02%

NECは地球氏ミュレータのSX-6の後、SX-7、SX-8、SX-8Rと改良をかさね、SX-6のCPU当たり8GFLOPSからSX-8Rの35.2GFLOPSへ性能向上を図り、現在CPU当たり100GFLOPS超を開発中としている。
CRAYのX1EはCPU当たり4.5TFLOPS、これを4つまとめた実装モジュール（MSP)で18GFLOPSを単位としていたが、このMSPモジュールを１チップにした20GFLOPの後継機をS2007年後半に出荷すると発表している。

ベクター型の最大の長所は実行効率の高さである。巨大システムにおいても理論性能の80%超の高い実行効率であり、特にNECの場合は90%前後の値を示している。反対に欠点は、消費電力、発熱、設置面積が大きく、コストはかなり高い。従って、プログラム作成の容易さを強調する人も居るが、実際の採用はほとんどなかったといってよい。

では本当にベクター型はスカラー型に比べて実行効率が高いのかというと、5-6年くらい前は事実であった。しかし現在では事実ではない。Top500第1位のBGLは13万CPUコアで76.5%であり、1ラック2048CPUコアでは82.2%である。第2位のオークリッジ研のJaguarはOpteron Dualコアで85.2%である。従って地球シミュレータの87.55%が飛びぬけて高い訳ではない。
又、TOP500のベンチマークは連立方程式を解くためのLINPACKだけであるが、LINPACKを含んだより広いアプリケーション・ベンチマークであるHPCCで比較すると、Linpack１TFLOPS当たりのシステムでのフーリエ変換（FFTE)や行列の転置（PTRANS)などではOpteronやBGLに劣る結果となっているのである。
つまり、現在の実測性能データからは、ベクター型スパコンがスカラー型スパコンに対し優位に立っているというデータは見当たらないのである。
つまり、合理的に考えればベクター型を次世代日の丸スパコンの一方の柱にしなければならない理由は見当たらないのである。

では、合理的判断以外の判断基準とは何なのであろうか？　
1番目は、日本の面子の問題で、スカラー型と言った途端にCPUは全て米国企業に抑えられてしまうからである。つまり国策としてCPUを全て米国に握られて良いのか、と言う技術安全保障政策の問題である。
2番目は既にベクター型スパコンに基づくたくさんのアプリケーションプログラムが存在し、スカラー型への書き換えには労力が必要になり、又、プログラム作成上もベクター型の方が容易で、生産性が高い、と言うプログラム視点での問題。
その他、他の論点があるかも知れないが、とりあえず、筆者はこの2点をすぐに思いついた。

第2の論点は、ソフトウェアの問題であるので、変換ツールや生産性ツールを開発すればよいので、本質的とは思えない。
なんと言っても、技術安全保障の問題が最大の問題で、合理的判断を超えた政策の問題になってしまうからである。

　敢えて政策判断のための材料を提示するなら、2002年の地球シミュレータの結果を思い出すほかない。
地球シミュレータは国家政策として600億の巨費を投じたシステムで、世界最高速の栄誉を2年半の間維持することは出来た。しかし、今日から振り返るなら、成果は「ただそれだけ」と言っても過言ではあるまい。勿論細かい成果は多々あったと思うが、日本のスパコンが世界で飛ぶように売れたとか、日本の産業界全般への著しい波及効果があったとかいったことは無かったのである。あまりにも高価で、設置が難しく、巨大な電力消費を必要とするシステムは、費用対効果という経済原理から敬遠され、反面教師としてスカラー型の著しい進歩を促し、結局、米国優位に貢献しただけと言ってよい。日本の産業界への貢献も極めて限定的で、ほとんど開発した企業だけの範囲と言っても過言ではあるまい。
　技術安全保障というコンテクストの中で、
1970年代の技術であるベクター型に、将来を託することに意味があるのか？　
ベクター型から新しい技術が生まれる可能性はあるのか？
ほかにシードは無いのか？
地球シミュレータの徹を踏まないためには、ベクター型への更なる投資の正当性を国民に示し、納得してもらう必要があるであろう。

　国産技術のシードという観点からは、議論に上がっていた、日立の産業組み込み型CPU　SHによる、BGLのような使い方や、東大のGRAPEの拡張などといった考え方を、どのような理由で切り捨てたのかは明確にすべきであろう。確かにSHによるBGLもどきは、2番煎じで、面白くないが、携帯機器への水平展開を考えるなら、それなりの意味があろうかと思えるし、GRAPE-DRは若干、アーキテクチャーが貧困で、現状では、実行性能１PFLOPが実現できるとは思えないが、GRAPEに立ち戻り、もう少しソフィスティケーテッドなプログラマビリティをアーキテクトできれば、スカラー型スパコンより遥かに廉価に高性能スパコンが実現できるのではないだろうか。

文化庁を管轄する文科省としては、古典芸能の保護と言った文化庁的後ろ向きの発想だけでなく、新しい価値の創造といった将来価値を生み出す多くのシードに対し養分補給を考えないと、国際社会での技術安全保障は達成できないであろう。

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Crayのヴェクター型スパコンBlackWidow

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Cray社のBlackWidowはあまり実態が知られていないので、手持ちの情報を記録してみる。

Crayのヴェクタ型スパコンは　X1、X1E　である。これらの後継機は正式にはX2と呼ばれる筈であるが、このX2の開発コードネームがBlackWidowである。
Blackwidowは2002年頃からCrayのCPU roadmapの現れていたので、かなり前から計画されていたCPUで在る。2006年6月に、2007年後半に出荷開始と発表されている。

Blackwidowはブレードボード用の1チップCPUで、単体性能は20+GFLOPS、メモリバンド幅41GB/ｓ/CPU/。1ブレード8CPUなので、ブレード性能は160GFLOPSである。ラックには16ブレード、128チップ収納可能なので、ラック性能は2.56TFLOPSとなる。


　因みに、X1Eは8パイプ構成のMSP(マルチストリーム・プロセッサー）を2つ、1つのMCM（マルチチプ・ モジュール）に組み込み、このMCMを4つ実装したものをCompute Moduleとしている。クロックはベクターパイプが1.13GHZなので、MSPは18GFLOPS,MCMは32GFLOS、Compute Moduleは128GFLOPSである。
1Cabinet当たり、空冷の場合4compute Module 32MSPで 576GFLOPSであり、水冷の場合は16Computer module、128MSPで 2.3TFLOPSである。



このように比較してみると、BlackWidowとX1Eとは性能的に大きな差があるわけではなく、外観的にはX1Eの水冷128MSPをBlwckWidowの空冷128チップに変更したモノと考えてよい。

Crayは2008年までにRaineir(レイニア)というヴェクター-スカラーのハイブリッドシステム基本設計により、Blackwidowのヴェクター型ラックとXT4のスカラー型ラックを、ラックレベルで共存可能にし、2010年予定ののCascade（カスケード）でブレードボードレベルでの共存を可能にするとしている。
Raineirでは500TFLOPSを、Cascadeでは持続的性能で1PFLOPSを目標にしている。
なお、CascadeはDARPAのHPCSプロジェクトとしてファンドを認められたシステムで、LINPPACKベンチマークでは4PFLOPSを目指すことになっている。、




訂正）
（１）
>Raineirでは500PFLOPS
500TFLOPSの間違いです。
◎了解です。本文を訂正しました。
（２）
＞各ストリームの処理性能は2.25GFLOPS
X1Eの1sspは4.5GFLOPS/sです。
1MCMに2MSPが搭載されています。
◎了解しました。本文を訂正しました。
＜誤パラグラフ＞
因みに、X1EはMCM(マルチ・チップ・モジュール）で4つのチップを1つのモジュールまとめたもの。、各チップはMSP(マルチストリーミングプロセッサー）と呼ばれるDualコアチップのようなもの。従って1モジュールに8つのストリームプロセッサーが搭載され8コア・モジュールのようなものと考えられる。各ストリームの処理性能は2.25GFLOPSで、1モジュールでは18GFLOPSとなる。
1ラックには空冷の場合32MSPで576GFLOPS、水冷の場合128MSPで2.3TFLOPSである。

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富士通のPrimepowerはなぜ実行値が低いのか？

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TOP500のうち日本に設置されているスパコンは23システムである。このうち3つのシステムが富士通の
Primepowerである。

178位　名大　　　　　　　理論性能13.84TFLOPS　実行性能6.86TFLOPS　49.57%
290位　宇宙航空研究所　　理論性能11.98TFLOPS　実行性能5.41TFLOPS　45.16%　
414位　京大　　　　　　　理論性能 9.19TFLOPS　実行性能4.55TFLOPS　49.51%

3システムとも実行性能比（実行性能/理論性能)はの50%以下である。「3システムとも」ということは構造的な問題と捕らえるべき問題である。
現在、TOP5001位のBGLは76.29%、2位のJaguar（Opteron）は85.25%であり、最低でも70%程度の値を示す必要があるであろう。

2003年10月の京大のときは、理論性能9.19TFLOPSを根拠にTOP500に当てはめ「世界最大規模のスカラー並列」とか、「国内第2位の」とか大々的に発表していた。TOP500の順位は実行性能であり、実行性能の順位に理論性能をマッピングすること自体意味がないが、世界何位などと発表して、税金で払う月額1億円だったかの高いリース料金の正当性の強調していた。
ところが実際は、LINPACKですら半分の性能も出ないのであるとするなら、それは、誇大表示の、詐欺行為もどきといわれても反論できないであろう。10年前の初期のパソコン並列型スパコンではあるまいし、
50%以下ということは、理論値の計算の仕方がそのものがおかしいと考えても不思議ではない城侘である。
また、こうした契約違反もどきの低性能機をそのまま放置し、アクションを取っていないように見える設置者達の無責任さも、かなりひどいように思える。当然、仕様違反で改善させるべきであろう。、

CPUはSPARC-Vのはずである。

とにかく、なぜ、これほど実行性能比が悪いのか？

どなたか、理由をご存知の方が居られたら、ぜひともご教示を賜りたい。



　　

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テキサス大のスパコンRangerと次世代日の丸スパコン

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テキサス大学オースティン校のコンピュータセンター（TACC)に設置予定のRangerというスパコンは、SunがOpteron 4コアを用いて2007年末までにTACCに納品予定のシステムで、理論性能は529TFLOPS、世界最高速を目指している。
実行効率を70%程度と考えると、370TFLOPS程度の機械になるものと考えられ、現在の世界最高速機BGLの280TFLOPSを抜くことになる。

このことは、2007年6月26日にISC07にリンクしてSUNから発表があったようであるが、記憶が正しければ、昨年11月のSC06で既にTACCから発表があったように記憶しているので、今回の発表はこのシステムで使用する巨大なスイッチをSUNが開発する,あるいは、した、と言うものであろう。
http://www.theregister.com/2007/06/26/sun_constellation_supercomputer/

RangerはOpteron4コアを15000チップ、つまり60,000コア程度結合する予定で、これを3000強のノードにまとめ、新規開発のMagnumというスイッチで結合すると言うものである。

費用はハード+ソフト込みで総額＄59M(71億）と言われており、TACCとSUNの共同提案に対しNSFがFundしたものである。
http://www.taborresearch.com/tacc.html
http://www.tacc.utexas.edu/resources/hpcsystems/
上記Webでは目標性能に差異があるが、とりあえず420−529Teraの間と考えられる。

Ranger開発のキーポイントはOpteron4コアとMagnamuスイッチのAvailabilityであろう。
11月のSC07 TOP500に間に合うかは、微妙、としかいえない。
しかも性能に関しては、アルゴンヌのBlueGene/Pとオークリッジのジャガーが待ち受けており、2004年のLLNL-BGLとNASAのColumbiaーSGI-ALTIXの熾烈な競争を思い出さざるを得ない。

BGLのサブシステムが地球シミュレータを抜いたと言う発表の直後に、SGIがそのBGLのサブシステムを抜き世界最高速を達成したと発表したが、なんとIBMはBGLを増強し、SGIを抜き去ったのである。

当然、今回も、もし、SUN-TACCが世界最高速を達成すれば、アルゴンヌのBGPを増強してくる出あろうことが予想されるし、又、オークリッジも同じOpteronを使っているので、Crayががんばってくる可能性も在る。
従って、SUM-TACCにとって11月に世界一になるには、いくつものハードルがあることになる。


コストの面では、理論値529TFLOPSで71億円と言うのは極めて廉価である。1,300万/TFLOPSである。安い安いと言っていた同SUNの東工大の49TFLOPSのシステムは2006年で20億と言われているので、2,450万円・Flopsで在る。ClearSpeedのFPUアクセラレータのコストを引いても、1/2程度である。

となると、TACC−SUNベースで考えると、10PetaFlopsでは1200億程度になるので、次世代日の丸スパコンの開発費1180億は2007年のテクノジーによるコストということになる。当然この先、TFLOPSコストは低下し続けるであろうから、2010年ー2011年をターゲットにすると、1180億は割高と言うことになるであろう。

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