スーパーコンピュータ sx-aceと今後のアプローチ · 2015. 9. 17. ·...

スーパーコンピュータ SX-ACEと今後のアプローチ

第134回 NEC C&CシステムSP研究会

2015年9月25日

NEC ITプラットフォーム事業部

高原浩志、百瀬真太郎

2 © NEC Corporation 2015

NECの目指すHPCソリューション

初期のベクトル型スーパーコンピュータ以来、一貫したコンセプトアプリケーションを見据えた最適なシステムの提供

高い実効性能によるTime-to-Solutionの短縮

演算性能のみではなく、メモリ性能とのバランスを重視

使いやすい利用環境の提供

最先端技術

高い実効性能容易な性能向上

長年にわたるハードウェア／ソフトウェアの開発ノウハウ

ベクトル最適化技術

強力なハードウェア洗練された基本ソフトウェア～ OS、コンパイラ、

開発支援環境

カスタマ・リレーションお客様の課題に即した

ソリューション

ソフトウェアハウス、コミュニティとの連携

最適なHPC

ソリューション


NECのHPC製品

アプリケーション特性に応じて、最適なプラットフォームをお客様にご提供

計算密度

メモリアクセス密度

多体問題、天体

化学系

物性、ナノ物理

気象・気候流体

アクセラレータ系が適している領域

粒子系

電磁場

HPCクラスタソリューション

ベクトルが適している領域

ベクトル型スーパーコンピュータ


SXシリーズと技術の進化 Perf

orm

an

ce

1990 2000 2010

SX-1/2

SX-3

SX-4

SX-5

SX-6

製品発表

(2013年11月）

SX-8/8R

SX-9

バイポーラ水冷

マルチノード CMOS 空冷

1チップベクトルプロセッサ

3Dノードモジュール

マルチコア All in One Chip ECOスパコン

SX-7 100GF

プロセッサ

ES

ES2

分散並列化（MPI-SX）

100+ノードクラスタ対応

1000＋ﾉｰﾄﾞクラスタ対応

自動ベクトル化コンパイラ

マルチレーン IXS対応MPI

自動共有並列化 SUPER-UX

NECは一貫して、ベクトルアーキテクチャに基づくスーパーコンピュータSXにより、高い実効性能をご提供しています


SXシリーズの納入実績

国内・海外を含め、ＳＸシリーズ全体で、11,000ノード以上の累積出荷を実現

Europe

Japan

North America

South America

Asia

Oceania

Africa


津波浸水被害予測の実証（東北大学様との共同プロジェクト）

津波浸水被害のシミュレーション予測・配信を、迅速に行いたい

• 浸水域内人口 • 建物被害棟数

•津波到達時間 •浸水域 •浸水深分布

地方自治体

地震検知地震規模・震源特定シミュレーション予測結果の配信

６時間以上

20分以内

利用者

20倍以上の時間短縮

スーパーコンピュータの活用によって、地震検知～予測・配信までを、大幅短縮

＊総務省 G空間シティ構築事業～リアルタイム津波浸水・被害予測・災害情報配信による自治体の減災力強化の実証事業（2014年9月～）／代表機関東北大学災害科学国際研究所


SX-ACEによるリアルタイム津波浸水予測

SX-ACEでは、10分以内でシミュレーション予測が可能

高知静岡

宮城

津波浸水シミュレーションに要する時間（静岡エリア）

Intel Xeon

SX-ACE

153.4

82.1

47.5

36.4 45.6

24.6

14.0 9.1 6.8

0

20

40

60

80

100

120

140

160

32 64 128 256 512

実行時間（分）

並列プロセス数

LX 406Re-2

SX-9

SX-ACE

静岡エリア：6.8分宮城エリア：6分以内（推定）高知エリア：6分以内（推定）今後対象地域を拡大予定

地震検知地震規模・震源特定シミュレーション予測結果の配信

20分以内

10分以内実証実験の

目標


0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

2000 2004 2008 2012 2016 2020

Xeon GF/CPU

Xeon Byte/Flop

GPGPU GF/CPU

GPGPU Byte/Flop

Moore's law

汎用スカラ（x86）／GPGPUの性能諸元推移

Gap拡大

アプリ視点でのアーキテクチャ類型～多様性が存在 A: メモリバンド幅／容量重視型 B: 汎用型（ポスト京システムなど） C: 演算重視型（加速機構型） D: メモリ削減型

汎用CPUは、演算性能に対するデータ供給能力が低下傾向(Byte/Flop 0.2以下）よりメモリバンド幅の大きなアーキテクチャの開発が必要

※文部科学省・科学技術試験研究委託事業「高メモリバンド幅に適した将来のHPCIシステムのあり方の調査研究」（2012～13年度）

汎用プロセッサのトレンド

ベクトルCPU向き

演算性能よりメモリ

帯域を要する領域

スカラCPU向き

演算重視。メモリ

帯域は要さない領域

スカラCPUのByte/Flop


将来スパコン技術のあり方研究（HPCI-FS）による知見

現状すでに、メモリ帯域が性能向上におけるボトルネックとなっているアプリケーションが多数存在。2020年頃にはこの傾向がより深刻に

～特に地球環境・防災、ものづくり、素材設計など

アプリケーション高並列化のための書換えはユーザ負荷が甚大。回避への要望大（研究コミュニティ、産業界双方の意見）

システム規模拡大に伴う消費電力増大は、将来スパコンの最大の課題

一方、アプリケーションの解法、適用対象によって、

リーディングマシンの所要性能特性（演算、メモリ、

通信等）は大きく相違

⇒ 複数タイプのリーディングマシンが必須

参考）文部科学省将来のHPCIシステムのあり方の調査研究東北大チーム成果報告書（2013年度）


将来システムのアプリケーション領域

既存ＨＰＣ領域

更なる高度化・高精度化スパコン領域

気象予報

気候変動

航空機／自動車

新素材探索

画像解析

防災／減災

健康／医療

金融モデリング

エネルギー創生

新規応用ビックデータ解析

防衛暗号解析

社会科学

ライフサイエンス創薬

機械／機構

地球科学

ビックデータの進展に伴い、ベクトル技術の適用範囲を拡大

大量データセットに対する同様な処理の繰り返し処理需要増加

データアクセス頻度増加に伴いメモリ性能の需要増加


NECのHPC方向性

科学的成果の創出と産業波及を先導する先進性の高いスーパーコンピュータを継続的に提供

高性能計算の活用、ビッグデータ連携を通じ、国家、地球規模で貢献

◆ 科学研究基盤の向上

◆ 科学的・社会的課題の解決

◆ 産業競争力の強化

◆ イノベーション創出による国際競争力向上

地球環境問題、エネルギー問題、防災・減災、安全保障などに関する解決策への貢献

NECは、30年にわたるベクトル技術の蓄積、高性能計算機の研究・開発、国内・海外でのシステム導入・サポートの実績を通し、これらの課題解決に継続的に貢献していきます。

SX-ACE

アーキテクチャと性能評価


開発コンセプト

ビッグコア

より少ないコア数で、より高い性能を実現する

世界トップクラスの単一コア性能: 64GF

世界一のメモリ帯域/コア: 64~256GB/s

低消費電力

メモリ帯域重視型アプリケーションで最良の電力効率を実現

ハイブリッド環境

ベクトル/スカラ連携により、あらゆるアプリケーション領域をカバー

3.0x GB/s / Watt

x86プロセッサとの比較

システムソフト群

メモリ帯域重視アプリケーションの加速


プロセッサ

core core core

RCU

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

memory crossbar

ADB (Assignable Data Buffer)

SPU VPU

256GB/s

256GB/s

256GB/s

256GB/s

8GB/s x2

8GB/s x2

Memory(DDR3)

Interconnect

Architecture Vector

CORE

Clock Frequency 1.0GHz

Performance 64GFlops

ADB size 1MB

ADB bandwidth 256GB/s

Memory bandwidth 64GB/s~

256GB/s

Memory Byte/Flop 1.0 ~ 4.0

CPU

Cores 4

Performance 256GFlops

Memory bandwidth 256GB/s

Byte/Flop 1.0

Memory capacity 64GB

Vector Processing Unit

Scalar Processing Unit

Remote access Control Unit

Memory controller


システム構成

Node Card

1CPU, 256GF, 256GB/s

2-Node Module

2 nodes = 2 CPUs

16-Node Cage

8 modules = 16 nodes =

16 CPUs

Rack

64 nodes = 16TF, 16TB/s

System

ラック諸元

16TF, 16TB/s, 64 CPUs 0.75m x 1.5m x 2.0m Power (LINPACK): 17KW

16-Node Cage x4

4 cages = 32 modules = 64 nodes =

64CPUs


STREAMベンチマーク

メモリ帯域評価ベンチマーク STREAM (TRIAD)

Mem

ory

bandw

idth

[G

B/s

]

Pow

er

effic

iency

ratio

実効性能/プロセッサ電力効率 (SX-ACE=1)

# of cores used per processor

SX-ACE

6x 3~7x 26x 4x

1コアでプロセッサ最大メモリ帯域を利用可能最大の電力効率を実現


姫野ベンチ

メモリ帯域＋キャッシュ帯域の混合型ベンチマークヤコビ反復法によるポワッソン方程式の求解処理ベンチマークベンチマーク性能にキャッシュ、メモリへのアクセス性能が大きく影響

Susta

ined p

erf

orm

ance r

atio

Pow

er

effic

iency r

atio

25x 3~25x 3x 3~17x

メモリサブシステム強化により SX-9から3倍の性能改善

メモリサブシステム強化、及び分散並列アーキテクチャ化により、25倍の電力効率改善

実効性能/プロセッサ (SX-ACE=1) 電力効率 (SX-ACE=1)

Auroraプロジェクト

次世代ベクトルプロダクトの開発


Aurora

SX-2 SX-3

SX-4 SX-5

SX-6 SX-7

SX-8 SX-9

SX- ACE

2017年度発売を目指し次期ベクトル製品開発のAuroraプロジェクトを推進中

Aurora

2017

*Aurora: project code for NEC’s next generation vector product


Aurora戦略

メモリアクセス密度

演算密度

LIN-

PACK

Quantum

Science

Nuclear

physics

国家PJ

官需

民需

世界最速レベル

先端科学

民間利用

Me

teo

rolo

gy

Flu

id D

yn

am

ics

Seis

m

Ele

ctr

om

ag

neti

c

M

ate

rial scie

nc

e

Mole

cula

r desig

n

Dru

g d

evelo

pm

ent

Cra

sh

an

aly

sis

S

tru

ctu

ral a

na

lys

is

Ima

ge

an

aly

sis

Fin

an

ce

Ge

ne

an

aly

sis

Elementary

particle

Space

New Target

High

Low High


ターゲット領域例

HPC分野気候・気象、防災・減災分野

設計分野セキュリティ分野

医療分野様々な社会基盤

Aurora data analysis

Aurora data analysis Aurora data analysis

Aurora Aurora

Aurora

supercomputer


新アーキテクチャ

SX-6 SX-7

SX-8 SX-9

SX- ACE

SX-3 SX-4

SX-5

NEXT

高実効性能標準環境・柔軟性

標準のLINUX環境で、SXの超高性能を実現する


価格・電力あたり最大のメモリ帯域従来SXから、大幅な低コスト化・低電力化

使いやすく、高性能 Linux標準環境 + ベクトルプロセッサ + ベクトルソフトウェア

高実効性能最大の単一コア演算性能・メモリ帯域

Auroraで実現する価値


システムコンセプト

PCクラスタ SXシリーズ

Linux OS

専用 OS

標準ツール

専用ツール

専用 I/O

専用 NW

専用コンパイラ

標準コンパイラ

標準 I/O

標準 NW

標準環境高実効性能

Aurora 標準環境＋高実効性能

Linux OS

標準ツール

標準 I/O

標準 NW

専用ツール

専用コンパイラ

vector CPU

vector CPU


プロセッサ設計思想

コモディティプロセッサの課題

世界一のコア性能世界一のコアメモリ帯域

価格・電力あたりメモリ帯域最大

SXアーキテクチャの継承・強化

超並列メモリウォール SIMD

メモリ帯域重視アプリケーションを加速させる設計 ① ビッグコア戦略継承 ② メモリ帯域重視設計継承 ③ ベクトルアーキテクチャのさらなる磨き込み


Auroraで拡がる利用形態

Auroraの柔軟構成により、小規模～大規模までの利用ニーズをカバー ~中規模システム: コード開発・デバッグ・最適化・実行大規模システム: 大規模実行、超高速実行

大規模システム計算機センター、データセンター

小型Aurora

研究所・研究室

コード開発デバッグ、最適化

小型Aurora

企業

小規模シミュレーション

大規模実行大規模実行

Aurora

Aurora Aurora

スーパーコンピュータ sx-aceと 今後のアプローチ · 2015. 9. 17. ·...

Documents

スーパーコンピュータ sx-aceと今後のアプローチ · 2015. 9. 17. ·...