スーパーコンピュータとは？

「スーパーコンピュータ」という用語は、標準的なコンピュータよりも高い性能で動作するコンピュータをさします。多くの場合、スーパーコンピュータのアーキテクチャ、リソース、コンポーネントは非常に強力であり、コンピュータの運用率を可能な限り高くするか、それに近い速度で実行することができます。

スーパーコンピュータには、少なくとも 1　つのプロセッサ、周辺機器、コネクタ、OS、さまざまなアプリケーションなど、一般的なコンピュータの主要な構成要素のほとんどが備わっています。スーパーコンピュータと標準コンピュータの主な違いは、その処理能力です。

従来、スーパーコンピュータは単一の超高速マシンであり、膨大な計算能力を必要とする企業や科学研究機関によって、主に極めて高速な演算処理のために使用されていました。しかし、今日のスーパーコンピュータは、数十万のプロセッサで構成されており、毎秒数十億、数十兆の計算を実行できます。

最近では、スーパーコンピュータの一般的なアプリケーションには、天気予報、原子炉の運用管理、暗号化などがあります。スーパーコンピューティングのコストが低下したことで、最近では市場調査、オンラインゲーム、仮想現実や拡張現実のアプリケーションにも使用されるようになっています。

スーパーコンピュータの歴史

1964 年、Seymour Cray 氏 とControl Data Corporation（CDC）のエンジニア・チームは、最初のスーパーコンピュータである CDC 6600 を開発しました。当時の CDC 6600 は、通常のコンピュータの 10 倍、次に高速なコンピュータである IBM 7030 Stretch の 3 倍の速度で、毎秒最大 3 メガの浮動小数点演算（FLOPS）を実行していました。今日の標準では遅いですが、当時はスーパーコンピュータと呼ぶには十分高速でした。

「スーパーコンピューティングの父」として知られる Seymour Cray 氏と彼のチームは、スーパーコンピューティング業界をリードし、1969 年に CDC 7600（160 メガ FLOPS）、1982 年に Cray X-MP（800 メガ FLOPS）、1985 年に Cray 2（1.9 ギガ FLOPS）をリリースしました。

その後、他の企業はスーパーコンピュータをより手頃な価格で提供しようとし、大規模並列処理（MPP）を開発しました。1992 年、NASA の請負業者である Don Becker 氏と Thomas Sterling 氏は、複数のコンピュータ・ユニットを連携させて動作させるクラスタ型スーパーコンピュータである Beowulf を開発しました。クラスタ・モデルを使用した最初のスーパーコンピュータでした。

今日のスーパーコンピュータは、中央処理ユニット（CPU）とグラフィック処理ユニット（GPU）の両方を使用して計算を実行します。TOP500 によると、日本の神戸に拠点を置く理化学研究所 計算科学研究センターのスーパーコンピュータ「富岳」は、442 ペタ FLOPS の処理速度を誇り、世界最速のスーパーコンピュータとしてランク付けされています。

スーパーコンピュータと一般的な PC

今日のスーパーコンピュータは、コンピューティング能力を集約し、単一のデスクトップやサーバーよりも大幅に高い性能を提供し、エンジニアリング、科学、ビジネスの複雑な問題を解決します。

一般的なパーソナル・コンピュータとは異なり、現代のスーパーコンピュータは膨大な数のサーバー・クラスタで構成されており、1 つまたは複数の CPU が計算ノードにグループ化されています。計算ノードは、プロセッサ（またはプロセッサのグループ）とメモリ・ブロックで構成され、数万のノードを含むことができます。これらのノードは相互接続され、通信と連携により特定のタスクを完了します。一方、プロセスは数千のプロセッサ間で分散されるか、同時に実行されます。

スーパーコンピュータの性能の測定方法

FLOPS は、スーパーコンピュータの性能を測定するため、また浮動小数点演算を用いる科学計算、すなわち指数表記を必要とするほど大きな数値を扱う計算において使用されます。

FLOPS は、毎秒 100 万命令（MIPS）よりも正確な性能指標です。前述のとおり、現在の最速クラスのスーパーコンピュータの中には、100 京 FLOPS（ペタ FLOPS）を超える性能を持つものがあります。

スーパーコンピュータの仕組み

スーパーコンピュータには、並列処理を使用して互いに通信し、問題を解決する数千のノードが含まれている可能性があります。しかし、並列処理には、対称型マルチプロセッシング（SMP）と大規模並列処理（MPP）の 2 つのアプローチがあります。

SMP では、プロセッサがメモリと I/O バスまたはデータパスを共有します。SMP は、密結合型マルチプロセシングとも呼ばれ、「全てを共有するシステム」とも呼ばれます。

MPP は、プログラムの異なる部分で同時に動作する複数のプロセッサ間でプログラムの処理を調整します。各プロセッサは、独自の OS とメモリを使用します。MPP プロセッサは、プロセッサ間でメッセージを送信できるメッセージング・インターフェースを使用して通信します。MPP は複雑で、共通のデータベースをパーティション化し、プロセッサ間で作業を割り当てる方法に関する知識が必要です。MPP システムは、「疎結合型」または「共有なし」システムとして知られています。

SMP のメリットの 1 つは、コンピュータ間でワークロードを動的にバランスさせることで、より多くのユーザーに迅速にサービスを提供できることです。SMPシステムは、複数のユーザーが同じデータベースにアクセスするオンライン・トランザクション処理（OTP）、例えば、単純なトランザクション処理において、MPP システムよりも適していると考えられています。MPP は、複数のデータベースを同時に検索する必要があるアプリケーション（意思決定支援システムやデータ・ウェアハウス・アプリケーションなど）に適しています。

スーパーコンピュータの種類

スーパーコンピュータは、汎用性と特殊性の 2 つのカテゴリに分類されます。これらのカテゴリ内では、汎用スーパーコンピュータを 3 つのサブカテゴリに分けることができます。

汎用スーパーコンピュータ

• ベクトル処理コンピュータ：科学計算で一般的に使用されており、1980 年代から 1990 年代初頭のほとんどのスーパーコンピュータがベクトル・コンピュータでした。最近ではそれほど人気がありませんが、今日のスーパーコンピュータには、いくつかのベクトル処理を使用する CPU があります。
• 緊密に接続されたクラスタ・コンピュータ：これらは、接続されたコンピュータのグループで、1 つのユニットとして動作し、大規模な並列クラスタ、ディレクターベースのクラスタ、2 ノードクラスタ、マルチノード・クラスタが含まれます。並列クラスタとディレクターベースのクラスタは、高性能処理に一般的に使用され、2 ノードおよびマルチノードのクラスタは、耐障害性に使用されます。
• コモディティ・コンピュータ：これには、高帯域幅、低遅延のローカル・エリア・ネットワーク（LAN）で接続された多数の標準的なパーソナル・コンピュータ（PC）の配置が含まれます。

専用スーパーコンピュータ

専用スーパーコンピュータとは、特定のタスクや目標を達成するために構築されたスーパーコンピュータです。性能を向上させるために、一般的にアプリケーション固有の集積回路（ASIC）を使用します。例えば、Deep Blue と Hydra は、どちらもチェスのようなゲーム用に構築されました。

スーパーコンピュータのユースケース

その明確な利点から、スーパーコンピュータは工学や科学研究など、幅広い分野で活用されています。ユースケースには、次のようなものがあります。

• 気象・気候調査：極端な気象現象の影響を予測し、国立海洋大気局（NOAA）システムなどの気候パターンを解析
• 石油・ガス探査：膨大な量の地球物理学地震データを収集し、石油埋蔵量の発見と開発を支援
• 航空・自動車業界：フライト・シミュレーターや模擬自動車環境を設計し、空気抵抗係数を最小にするために空気力学を適用
• 核融合研究：核爆発や兵器弾道実験のための核融合炉や仮想環境の構築
• 医学研究：新薬の開発、がんや希少な遺伝性疾患に対する治療法、COVID-19 に対する治療法の開発、流行や疾病の創出と進化に関する研究
• リアルタイム・アプリケーション：大会期間中や新作ゲームのリリース時など、多数のユーザーが同時にアクセスする際に、オンライン・ゲームの性能を維持

スーパーコンピューティングと HPC

スーパーコンピューティングは、高性能コンピューティング（HPC）と同義で使用されることがあります。しかし、より正確にいえば、スーパーコンピューティングとはスーパーコンピュータによって行われる複雑かつ大規模な計算処理をさす HPC ソリューションの一形態です。

HPC は、複数のネットワーク化されたスーパーコンピュータ間でデータ集約型コンピューティングを同期させます。その結果、大規模なデータセットを使用した複雑な計算は、通常のコンピュータを使用するよりもはるかに短い時間で処理できます。

スーパーコンピューティングのためのスケーラブルなストレージ

今日のスーパーコンピュータは、さまざまな分野で多用な目的に活用されています。世界トップのテクノロジー企業の中には、急速に拡大するメタバースで果たす役割を想定して AI スーパーコンピュータを開発している企業もあります。

そのため、ストレージ・ソリューションは、非常に高い計算速度でデータを迅速に取得するだけでなく、大規模な AI ワークロードの需要に高性能で対応できるスケーラビリティも備えている必要があります。

仮想現実と拡張現実テクノロジーには、多くのデータが必要です。5G、機械学習（ML）、モノのインターネット（IoT）、ニューラル・ネットワークなどのサポート技術も同様です。

ピュア・ストレージの FlashArray//XL は、エンタープライズ・ワークロードに最高レベルの性能と効率性を提供します。FlashBlade は、業界で最も先進的なオールフラッシュ・ストレージ・ソリューションです。いずれも、今日の最速クラスのスーパーコンピュータを支えるスケーラブルで堅牢なストレージ・ソリューションを提供します。

いずれも Pure as-a-Service を通じて利用可能で、シンプルなサブスクリプション・モデルに基づくマネージド・ストレージ・アズ・ア・サービス（STaaS）ソリューションとして提供されます。必要に応じてストレージ容量を柔軟にスケールできるのが特長です。

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