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Sep 04, 2023

アジアのスーパーコンピューターの炭素制限

Design accurato del processore, programmazione ottimizzata e forte supporto governativo

思慮深いプロセッサ設計、最適化されたプログラミング、政府の強力な支援により、ハイ パフォーマンス コンピューティング エコシステムがより持続可能になります。

AsianScientist (2023年4月11日) — ピクサーとディズニーが2013年のアニメーション映画『モンスターズ・ユニバーシティ』を初めて公開したとき、ファンはすぐにある驚くべき細部に気づきました。それは、映画の2人の主人公のうちの1人であるサリーを覆う毛皮が非常にリアルだったことです。

穏やかな巨人が手足を動かすたびに、何百万もの小さな毛皮が説得力を持って揺れ、タイトなシャツの下でさえも、あなたが期待しているとおりにフリルしました。 アニメーターの秘密？ 当時世界最速の部類に入るスーパーコンピューターで、毛皮の一本一本を自動的に再描画し、動きの各フレームで光を捉えて反射させます。

通常のデスクトップ マシンには、この種のアニメーションを実行する処理能力がありません。実際、ハイエンド バージョンでも問題があったでしょう。 しかし、アニメーターらは、映画の中のサリーや他のモンスターは、すべてのテクスチャ、シェーディング、フレームとともに、その鮮明で鮮やかな存在がハイ パフォーマンス コンピューティング (HPC) のおかげであることを明らかにしました。

数十億回の計算を簡単に処理できるこれは、津波の予測、医療イノベーションの推進、超巨大ブラックホールの起源の研究に活用されているのと同じ種類のテクノロジーです。 強力なプロセッサ、洗練されたソフトウェア、その他の最先端のコンピューティング テクノロジを組み合わせた HPC は、同時に動作する数千のコンピューティング ノードを採用し、非常に複雑なコンピューティング タスクを通常のコンピュータよりもはるかに速く完了します。

問題が 1 つだけあります。 優れたコンピューティング能力には、大きなエネルギー負担が伴います。 HPC システムは、モンスターズ ユニバーシティ以来 10 年間、社会で最も差し迫った問題のいくつかを解決するのに役立ってきましたが、その膨大な二酸化炭素排出量という別の問題も引き起こしています。

コンピューティング能力と持続可能性のバランスをとるために、アジア各地のスーパーコンピューターは、よりエネルギー効率の高いプロセッサーとプログラミングを使用して設計されることが増えています。 一方、各国政府は、成長する HPC エコシステムを形成する中で、より持続可能なエネルギー源と政策の必要性に気づき始めています。

HPC の炭素排出の主な要因の 1 つは、その急激なエネルギー需要です。 結局のところ、このような強力なコンピューティング能力をサポートするには、信頼性が高く堅牢なエネルギーの流れが必要です。 たとえば、モンスターズ ユニバーシティの背後にある HPC システムは、合計 24,000 コアの 2,000 台のコンピューターで構成されていました。 この計算能力にもかかわらず、映画を完全にレンダリングするには 1 億 CPU 時間以上かかりました。 その間、ピクサーの電気代はかさみ続けた。

さらに、2022 年 11 月の時点で世界で最も強力なスーパーコンピューターであるフロンティア システムは、870 万以上のコアに 20 MW 以上の電力を必要とします。これは、シンガポールの約 52,600 世帯に 1 か月分の電力を供給するのに十分です。

合計すると、世界のトップ 500 のスーパーコンピューターに電力を供給するだけで、年間約 200 万トンの二酸化炭素が排出され、これは約 285,000 世帯に相当します。

さらに、HPC システムの環境への負担を正直に計算するには、それをサポートするテクノロジーのエコシステム全体を評価する必要があります。 結局のところ、コンピューティング マシン自体は、方程式の中心ではあるものの、1 つの部分を形成するにすぎません。

スーパーコンピューターに流入するエネルギーの大部分は熱として放散されます。 温度を管理し、マシンが適切に動作し続けることを保証するために、コンピューティング施設には精巧な冷却メカニズムが採用されており、多くの場合、それ自体が大量の電力を消費します。

HPC システムにおける炭素排出のもう 1 つの周辺源はデータです。 国際エネルギー機関は、2021 年に世界中のデータセンターが約 220 ～ 321 TWh のエネルギーを使用したと推定しています。これは一部の国の消費量を上回るのに十分な量です。 世界の HPC システムへの依存度が高まっていることを踏まえ、国立スーパーコンピューティング センター (NSCC) シンガポールの最高責任者タン ティン ウィー教授は、将来的には世界のエネルギー消費量の 10% がデータセンターの運用によるものになると予測しました。 「エネルギー消費は大きな問題になるだろう」とタン氏はスーパーコンピューティング・アジアに語った。

HPC システムの高騰するエネルギーコストに対する主な解決策は、計算エネルギー効率を最大化することである、と理化学研究所計算科学研究センター所長の松岡聡教授が Supercomputing Asia のインタビューで説明しました。 同氏は、目標は消費電力を可能な限り低いレベルに保ちながら、より良いパフォーマンスを達成する方法を見つけることであると述べた。

理化学研究所には、日本の富士通が開発したスーパーコンピューター「富岳」が設置されている。 富岳は 2020 年にデビューして以来、世界最速のスーパーコンピューターのトップ 500 リストのトップを常にリードしてきました。 2022 年 6 月にフロンティアに王座を奪われたものの、特に実際の使用条件を考慮すると、富岳は依然として世界で最も強力でエネルギー効率の高いスーパーコンピューターの有力な候補です。

松岡氏によると、富岳のパワーを支えているのは、思慮深く目的を持った設計だという。 「まず、効率的に設計する必要がありました」と同氏は述べ、スーパーコンピューターが持続可能性の研究に使用されることを知っていたため、他の無関係な機能を排除しながら最高のコンピューティングパフォーマンスを達成するために特別に部品を構築したと指摘した。 「このマシンは電力を節約することを念頭に置いて作られています。」

富岳の心臓部であり、その究極のエネルギー効率に大きく貢献しているのは、同じく富士通が開発した A64FX プロセッサです。

単一の A64FX チップには、4 つのコア メモリ グループ (CMG) に分割された 48 個のコンピューティング コアが含まれています。 各 CMG には、アシスタントとして機能する追加のコアをそれぞれ最大 1 つ含めることもできます。 プロセッサ用語では、コアは他のコアから独立してコンピューティング タスクを実行できる小さな処理ユニットです。 大多数のコンピュータ ユーザーは、2 つまたは 4 つのコアを備えたマシンで十分なサービスを享受できます。 A64FX は 48 個搭載することでパフォーマンスを向上させます。

A64FX の各コアのクロック速度は 1.8 ～ 2.2 GHz です。これは、各コアが 1 秒あたり 18 億～22 億サイクルを完了できることを意味します。 一部の単純な計算タスクは 1 サイクル以内に完了できますが、より複雑な命令には複数のサイクルがかかります。 少し単純化していますが、通常、クロック速度が高いほど、コンピューティング パフォーマンスが向上します。

松岡氏は、富岳のプロセッサは別として、ネットワーク自体が非常に効率的であると指摘した。 商用ネットワークカードがノードあたり最大25～30Wを消費するのに対し、富岳の銅線ネットワーク上のイーサネットはノードあたり10～20Wを消費します。

富岳の設計には、ユーザー向けの正確な電力制御機能も含まれています。 ほとんどのプロセッサはすべての計算ノードを同時にオンまたはオフにして動作しますが、富岳は特定のタスクに関連する部分のみを実行するように構成できます。 「電力使用量の大幅な節約に貢献します」と松岡氏は語る。

これらの機能と他のエンジニアリング革新により、富岳スーパーコンピュータは性能と省電力の壁を打ち破ることができました。 松岡氏は、2019年に廃止された富士通の初期スーパーコンピュータ「京」と比較して、富岳は実使用性能で約70倍強力だと推定した。 「しかし、電力消費量はおそらく 20 ～ 30% しか増加しませんでした」と彼は説明しました。 「したがって、前世代と比較して、富岳の電力効率はほぼ 50 倍になります。」

ピーク効率は、日本の企業 Preferred Networks が神戸大学と協力して開発したスーパーコンピュータ MN-3 の目標でもあります。

実際、富岳の驚異的な数値にもかかわらず、MN-3 はエネルギー効率の点でそれを余裕で上回っています。 富士通独自の数値によると、富岳はエネルギー1ワット当たり約150億回の計算を実行できるという。 同じエネルギー量で、MN-3 は約 410 億回のパフォーマンスを発揮でき、効率は 2 倍以上になります。

エネルギー効率の観点からマシンをランキングする隔年ランキング Green500 によると、この素晴らしい統計により、MN-3 は常に世界で最も効率的なスーパーコンピューターの一つにランクされています。 MN-3は、2021年11月、2021年6月、2020年6月のリストでトップの座を獲得した。

「MN-3 は現在、128 個の MN-Core プロセッサーと 1,536 個の Intel Xeon CPU を搭載しています。MN-3 は、それぞれに 4 個の MN-Core プロセッサーを備えた 32 ノードで構成されています」と、Preferred Networks のコンピューティング インフラストラクチャ担当バイスプレジデントである土井祐介博士は説明しました。スーパーコンピューティングアジアのインタビュー。

しかし、「MN-3がGreen500リストのトップに3回輝いた主な理由は、まさにGPUの代わりに深層学習に必要な行列計算に特化したMN-Coreを使用しているからである」と同氏は付け加えた。

MN-Core は、階層アーキテクチャで設計されたアクセラレータであり、4 つのダイ パッケージで提供されます。 各ダイには 4 つのレベル 2 ブロックがあり、さらに 8 つのレベル 1 ブロックに分割されます。 次に、レベル 1 ブロックには 16 個の行列演算ブロックが収容され、これらのブロック自体にはそれぞれ 4 つの処理要素が含まれます。

各レベルで、各ブロックは独自のオンチップ ネットワークに接続されており、すべての階層レベルでデータをブロードキャスト、集約、または収集できます。 大規模なデータセットのさまざまな部分をブロックのさまざまな部分に分散できるため、非常に効率的な処理とコンピューティングが可能になります。

Preferred Networks は、MN-Core のハードウェアの可能性を最大限に引き出すソフトウェアの最適化も採用し、MN-3 のエネルギー効率の数値をさらに高めることに貢献しました。

特に同社は、高レベルのコンピューター コードを別の、より機械に優しい言語に変換するプログラムである MN-Core Compiler を考案しました。 これは、ユーザー側の変更の必要性を最小限に抑えることと、MN-Core の機能を最大限に活用して最高のコンピューティング パフォーマンスを達成するという 2 つの主な目標を持って設計されました。

具体的には、コンパイラは、MN コアの階層構造内の各計算ユニットに計算をマッピングする最適な方法を見つけ出す必要がありました。 アクセラレータは単一の命令ストリームのみを使用するため、プログラムはパフォーマンスを理論上の最大値にできるだけ近づけるために安定したデータ フローを確保する必要もありました。

最終的には、ハードウェアを強力に制御し、最大の効率を達成するための計算の実行方法を指示できるソフトウェアが得られます。 「MN-Coreでは、従来ハードウェア内で自動的に決定・処理されていたものをソフトウェア側に公開し、ハードウェアの演算内容をソフトウェアが『マニュアルモード』で手動で制御することでエネルギー消費を最適化できる」と土井氏は説明した。

これは、スマートなソフトウェア設計を通じてハードウェアの真の約束を実現するという、Preferred Networks の中核となる哲学を反映しています。 「ソフトウェアによって適切に制御されている限り、シリコンの真の可能性を引き出すことができます」と土井氏は語った。

富士通やプリファード・ネットワークスのような企業による業界変革の持続可能性への取り組みにもかかわらず、いくつかの重要な要素は依然として民間企業の力を超えています。

たとえば、スーパーコンピューターの二酸化炭素排出量を評価する場合、スーパーコンピューターがどれだけのエネルギーを使用するか、どれだけ効率的に計算を実行できるかを調べるだけでは十分ではありません。 自国のエネルギー構成を考慮することも重要です。 主に再生可能エネルギーで電力供給されている国のHPCシステムは、依然として化石燃料に依存している地域のHPCシステムよりも持続可能であるため、松岡氏は富岳の使命の一部は日本の洋上風力発電と太陽光発電の開発を支援することであると共有した。 しかし、すべての国がこのペースに追いつくことができるわけではありません。

シンガポールのエネルギー市場庁（EMA）によると、同国の電力の約95パーセントは天然ガスから来ている。 これは最もクリーンな形態の化石燃料エネルギーですが、炭素集約型のエネルギー源でもあります。 EMA は、シンガポールは当面は天然ガスに依存し続けると予測していますが、太陽エネルギーなど、より持続可能な代替エネルギーを模索し、投資を続けています。

よりクリーンなエネルギー源の開発とは別に、政府には自国の HPC エコシステムを形成する権限もあり、消費者や業界の需要を満たしながら排出目標を達成できるような政策を立案することができます。

たとえば日本では、データセンターが施設を持続的にアップグレードできるよう、政府が多額の補助金を発表しました。 同国はまた、電力を大量に消費するこれらのセンターを国内の寒冷地域に集中させることも検討しており、これにより冷却システムに必要な電力の削減につながる可能性がある。

一方、シンガポール政府は2019年に、その発電量が350MWであることを理由に、新しいデータセンターの承認と建設を一時停止した。 一時停止は2022年に終了し、当局は今後新たな指針を策定できるようになった。

新しい規則の下では、厳しい国際基準に合格し、クラス最高のエネルギー効率技術を採用し、再生可能エネルギーやその他の革新的なエネルギー経路を運用に統合するための明確な計画を提示する施設のみが認定されることになる。 これらの措置は、シンガポールがデータセンターのニーズの増大と、差し迫った気候危機への対応の必要性とのバランスを取るのに役立つだろう。

しかし、テクノロジーや環境は常に進化しています。 今日クラス最高のものであっても、明日には効果がなくなる可能性があります。 今年の炭素目標は来年には不十分になる可能性がある。 こうした不確実性に直面して、シンガポールは自らの良い前例を作り、他のアジア諸国にとっても良い例を示しました。一時停止ボタンを押して、持てる者と持たざる者を評価し、より良い方向に進むための計画を立てましょう。

政府資金によるスーパーコンピューティング施設であるNSCCについて、その最高責任者のタン・ティン・ウィー教授は、彼らの役割は模範を示すことだと指摘した。 過去 7 年間にわたり、彼のチームは、HPC システムのエネルギー消費量を削減する、より安価で効率的な冷却技術を開拓してきました。これは、熱帯の国におけるスーパーコンピューティングにとって重要な取り組みです。 「私たちは、商用データセンターではできない新しいことに挑戦し続けることができます」とタン氏は説明しました。 「私たちにそれができるということを他の人に示すことができれば、コミュニティの他の人々もそれに続くことができます。」

これらの技術は、NSCC の最新スーパーコンピュータである ASPIRE 2A に適用されています。 ASPIRE 1 の教訓に基づいて設計された ASPIRE 2A は、PUE (電力使用効率、データセンターのエネルギー効率の測定に使用される指標) が 1.08 に近い値を示します。 この地域の一般的なデータセンターの PUE は 2 です。

すでに、これらのイノベーションは当然の評価を得ています。 ASPIRE 2A を収容する NUS-NSCC i4.0 データ センターは、2021 年に建築建設局 (BCA) のデータセンター部門のプラチナ グリーン マーク賞と、エネルギー部門の W.Media 東南アジア クラウド & データセンター (DC) 賞を受賞しました。 2022 年の効率的なイノベーション。

システムのエネルギー効率を改善し続けるために、NSCC は独自のスーパーコンピューターのシミュレーションも実行しています。 このように、タン氏は「スーパーコンピューターは単なる貢献者ではなく、問題そのものの解決策である」と述べた。

HPC システムが最もリアルなアニメーション モンスターを作成するために使用される場合でも、最先端の科学知識を推進するために使用される場合でも、その排出量が地球の持続可能性目標に沿っていることを確認することが重要です。 プロセッサ、プログラミング、政策におけるアジアの革新は、これが可能であることを示しています。

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この記事は、Supercomputing Asia の印刷版、2023 年 1 月に初めて掲載されました。印刷版の Asian Scientist Magazine を購読するには、ここをクリックしてください。

著作権：アジアンサイエンティストマガジン。

免責事項: この記事は、必ずしも AsianScientist またはそのスタッフの見解を反映しているわけではありません。

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トリスタンはマニラ首都圏を拠点とする独立系サイエンス ライターで、医学、バイオテクノロジー、環境についての執筆経験が約 7 年あります。 分子生物学の正式な訓練を受けた彼は、かつては学位を取得して自分の研究室を立ち上げることを夢見ていました。 しかし最近、彼はビール瓶と美しい文章に最大の喜びを感じています。

トリスタンはマニラ首都圏を拠点とする独立系サイエンス ライターで、医学、バイオテクノロジー、環境についての執筆経験が約 7 年あります。 分子生物学の正式な訓練を受けた彼は、かつては学位を取得して自分の研究室を立ち上げることを夢見ていました。 しかし最近、彼はビール瓶と美しい文章に最大の喜びを感じています。