スーパーコンピューティングの歴史

ドイツ博物館に保存されているCray -1スーパーコンピュータ

スーパーコンピューティングの歴史は、優れた計算ピーク性能を実現するために革新的な設計と並列処理を使用する、コントロール データ コーポレーション(CDC)の一連のコンピュータがシーモア クレイによって設計された1960 年代に遡ります。 [1] 1964 年にリリースされたCDC 6600 は、一般に最初のスーパーコンピュータと考えられています。[2] [3]ただし、1950 年代の 1954 年のIBM NORC、[4] 1960 年代初頭のUNIVAC LARC (1960)、[5] IBM 7030 Stretch (1962)、[6]マンチェスター アトラス(1962)など、それ以前のコンピュータも当時としてはスーパーコンピュータと考えられており、いずれも同等の性能を持っていました。[要出典]

1980 年代のスーパーコンピュータは数個のプロセッサしか使用していませんでしたが、1990 年代には米国と日本の両方で数千個のプロセッサを搭載したマシンが登場し、新しい計算性能記録を樹立しました。

20 世紀末までに、パーソナル コンピュータに搭載されているものと同様の「既製」プロセッサを数千個搭載した超並列スーパーコンピュータが構築され、テラフロップスの計算の壁を突破しました。

21 世紀の最初の 10 年間の進歩は劇的で、60,000 個を超えるプロセッサを搭載したスーパーコンピュータが登場し、ペタフロップス レベルのパフォーマンスに達しました。

始まり：1950年代と1960年代

「スーパーコンピューティング」という用語は、1929年にニューヨークワールド紙で初めて使用され、 IBMがコロンビア大学向けに特注した大型の集計機を指して使用されました[7]。[8]

当時のメインフレームのほとんどよりも大幅に高速な第二世代コンピュータがいくつか存在した。これには以下が含まれる。

第 2 世代では、マスター/スレーブ (スーパーバイザー/プロブレム) モード、ストレージ保護キー、制限レジスタ、アドレス変換に関連する保護、アトミック命令など、マルチプログラミングとマルチプロセッサ構成をサポートするための機能が導入されました。

1957年、エンジニアの一団がスペリー社を去り、ミネソタ州ミネアポリスにコントロール・データ・コーポレーション（CDC）を設立した。シーモア・クレイは1年後にスペリー社を去り、CDCの同僚に加わった。[1]クレイは1960年にCDC 1604を完成させた。これは商業的に成功したトランジスタ式コンピュータの第一世代の一つであり、発売当時は世界最速のコンピュータであった。[9]しかし、完全にトランジスタ化された唯一のハーウェルCADETが1951年に稼働し、IBMは1959年に商業的に成功したトランジスタ式IBM 7090を納入した。

システムコンソールを備えたCDC 6600

1960年頃、クレイは世界最速のコンピュータを設計することを決意した。ジム・ソーントン、ディーン・ラウシュ、その他約30名の技術者と4年間の実験を経て、クレイは1964年にCDC 6600を完成させた。クレイはトランジスタをゲルマニウムからフェアチャイルドセミコンダクター製のプレーナープロセスを用いたシリコンに切り替えた。これらにはメサ型シリコントランジスタの欠点がなかった。クレイはトランジスタを非常に高速に動作させ、光速の制限により非常にコンパクトな設計を余儀なくされたが、深刻な過熱問題があった。この問題はディーン・ラウシュの設計による冷却装置の導入によって解決された。[10] 6600は、それまでの業界記録保持者であったIBM 7030 Stretch [要説明]を3倍も上回る性能を誇った。[11] [12]最大3 メガFLOPSの性能を備え、[13] [14]スーパーコンピュータと呼ばれ、200台のコンピュータが1台あたり900万ドルで販売されたことでスーパーコンピューティング市場を定義しました。[9] [15]

6600は、周辺計算要素に作業を「外注」することで速度を向上させ、CPU（中央処理装置）を実際のデータ処理に解放しました。このマシン用のミネソタFORTRANコンパイラは、ミネソタ大学のリディアードとムンドストックによって開発され、これにより6600は標準的な数学演算で500キロフロップスを維持できました。[16] 1968年、クレイはCDC 7600を完成させ、これは再び世界最速のコンピュータとなりました。[ 9] 36MHzの 7600は6600の3.6倍のクロック速度でしたが、他の技術革新により大幅に高速化されました。7600はわずか50台ほどしか売れませんでしたが、決して失敗作ではありませんでした。クレイは1972年にCDCを去り、自身の会社を設立しました。[9]彼が去った2年後、CDCはSTAR-100を納品しました。これは100メガフロップスで、7600の3倍の速度でした。テキサスインスツルメンツのASCとともに、STAR-100はベクトル処理を採用した最初のマシンの1つでした。このアイデアは1964年頃にAPLプログラミング言語に触発されたものでした。[17] [18]

1963 年 1 月のマンチェスター大学地図帳。

1956年、英国マンチェスター大学のチームがMUSEの開発を開始しました。MUSEはマイクロ秒エンジンに由来する名前で、最終的には1マイクロ秒（1秒あたり約100万命令）に近い処理速度で動作するコンピュータの構築を目指していました。[19] Mu （ギリシャ文字のμの名前）はSI単位系やその他の単位系における接頭辞で、10の−6乗（100万分の1）の係数を表します。

1958年末、フェランティはマンチェスター大学と共同でプロジェクトに取り組むことに同意し、その後まもなくコンピュータはアトラスと改名され、合弁会社はトム・キルバーンの管理下に入った。最初のアトラスは1962年12月7日に正式に稼働を開始した。これは、世界初のスーパーコンピュータの1つとしてクレイCDC 6600スーパーコンピュータが導入される約3年前のことである。稼働開始当時はIBM 7094 4台に匹敵する、世界で最も強力なコンピュータと考えられていた。アトラスがオフラインになるたびに、イギリスのコンピュータ容量の半分が失われると言われていた。[20]アトラスは、16,384ワードのプライマリコアメモリと96Kワードのセカンダリドラムメモリを組み合わせることでワーキングメモリを拡張する方法として、仮想メモリとページングの先駆者となった。[21] Atlasはまた、Atlas Supervisorの先駆者であり、「多くの人に最初の現代的なオペレーティングシステムであると考えられている」。[20]

クレイ時代：1970年代半ばから1980年代

フロリナート冷却Cray-2スーパーコンピュータ

CDCを離れてから4年後、クレイは1976年に80MHzのクレイ-1を納品し、史上最も成功したスーパーコンピュータとなった。[18] [22]チップあたり2ゲートの集積回路を使用したクレイ-1はベクトルプロセッサであった。スカラーレジスタとベクトルレジスタが、計算速度を低下させる追加のメモリ参照なしに、すぐに使用できる中間結果を生成するチェーニングなど、多くの革新を導入した。[10] [23]スティーブ・チェンが設計したクレイX-MPは、1982年に、より優れたチェーニングサポートと複数のメモリパイプラインを備えた105MHz共有メモリ並列ベクトルプロセッサとしてリリースされた。X-MPの3つの浮動小数点パイプラインはすべて同時に動作できた。[23] 1983年までにクレイとコントロールデータはスーパーコンピュータのリーダーとなった。

1985年に発売されたCray -2は、4つのプロセッサを搭載した液冷式コンピュータで、動作中に泡立つフロリナートのタンクに完全に浸されていました。 [10] 1.9ギガフロップスを達成し、世界最速のスーパーコンピュータとなり、ギガフロップスの壁を破った最初のコンピュータとなりました。[25] Cray-2はまったく新しい設計でした。チェーニングを使用せず、メモリのレイテンシが大きかったものの、パイプラインを多用し、大量のメモリを必要とする問題に最適でした。[23]スーパーコンピュータの開発におけるソフトウェアのコストは過小評価すべきではなく、1980年代にはCrayでのソフトウェア開発コストがハードウェアに費やされたコストと等しくなったという事実がそれを証明しています。[26]この傾向は、社内のCrayオペレーティングシステムからUnixベースのUNICOSへの移行の一因となりました。[26]

クレイY-MPもスティーブ・チェンによって設計され、X-MPの改良版として1988年にリリースされました。167MHzのベクトルプロセッサを8基搭載し、プロセッサあたりのピーク性能は333メガフロップスでした。[23] 1980年代後半、クレイはクレイ3でガリウムヒ素半導体の使用を試みました。しかし、失敗に終わりました。シーモア・クレイは1990年代初頭に超並列コンピュータの開発に着手しましたが、完成前の1996年に自動車事故で亡くなりました。しかし、クレイ・リサーチはそのようなコンピュータを製造しました。[22] [10]

大量処理：1990年代

1980年代半ばから後半にかけてスーパーコンピューティングの限界を打ち破ったCray -2は、わずか8個のプロセッサを搭載していました。1990年代に入ると、数千個のプロセッサを搭載したスーパーコンピュータが登場し始めました。1980年代末のもう一つの進歩は、日本製スーパーコンピュータの登場であり、その一部はCray-1をモデルにしていました。

戦略的コンピューティング・イニシアチブの前半では、 WARPシストリックアレイ、コズミックキューブ・ハイパーキューブのようなメッセージパッシングMIMD 、コネクションマシンのようなSIMDなど、いくつかの超並列アーキテクチャが動作することが実証された。1987年には、1992年までに1テラOPS（1秒あたり1兆回の演算）を達成することを目標としたテラOPSコンピューティング技術プログラムが提案された。これは、これまでに実証されたアーキテクチャのいずれかをスケールアップすることで達成可能と考えられていた。[27]

パラゴンキャビネットの背面。バスバーとメッシュルーターが見える。

SX -3/44Rは1989年に日本電気株式会社によって発表され、1年後には4プロセッサモデルで世界最速の称号を獲得しました。[28]しかし、富士通のNumerical Wind Tunnelスーパーコンピュータは166個のベクトルプロセッサを使用して1994年にトップの座を獲得しました。そのピーク速度はプロセッサあたり1.7ギガフロップスでした。[29] [30]日立SR2201は、高速な3次元クロスバーネットワークを介して接続された2,048個のプロセッサを使用して、1996年に600ギガフロップスのピーク性能を達成しました。[31] [32] [33]

同じ時期に、インテル パラゴンは様々な構成で1,000～4,000個のインテル i860プロセッサを搭載でき、1993年には世界最速のマシンにランクされました。パラゴンは、高速な2次元メッシュを介してプロセッサを接続し、メッセージ パッシング インタフェースを介して通信することでプロセスを別々のノードで実行できるようにするMIMDマシンでした。[34] 1995年までに、クレイも3次元トーラス相互接続を使用して2,000個以上のプロセッサを搭載したクレイ T3Eなどの超並列システムを出荷しました。[35] [36]

パラゴンアーキテクチャはすぐにアメリカ合衆国のインテルASCI Redスーパーコンピュータへと発展し、20世紀末までAdvanced Simulation and Computing Initiativeの一環としてスーパーコンピュータの最高峰の座を維持した。これもまたメッシュベースのMIMD超並列システムであり、9,000台以上の計算ノードと12テラバイトを超えるディスクストレージを備えていたが、一般的なパーソナルコンピュータに搭載されている市販のPentium Proプロセッサを使用していた。ASCI Redは1996年にMP- Linpackベンチマークで1テラフロップスの壁を突破した最初のシステムであり、最終的には2テラフロップスに到達した。[37]

21世紀のペタスケールコンピューティング

アルゴンヌ国立研究所のBlue Gene /Pスーパーコンピュータ

21世紀の最初の10年間は​​、目覚ましい進歩を遂げました。スーパーコンピュータの効率は向上し続けましたが、劇的な向上ではありませんでした。 1991年のCray C90の消費電力は500キロワットでしたが、2003年にはASCI Qが3,000キロワットの電力を消費しながら2,000倍の速度を達成し、ワットあたりの性能は300倍に向上しました。[38]

2004年にNECが海洋研究開発機構（JAMSTEC）に構築した地球シミュレータスーパーコンピュータは、各ノードに8つの独自のベクトルプロセッサを搭載した640ノードを使用して、35.9テラフロップスを達成しました。[39]

IBM Blue Geneスーパーコンピュータ・アーキテクチャは21世紀初頭に広く普及し、TOP500リストにランクイン したコンピュータのうち27台がこのアーキテクチャを採用しました。Blue Geneのアプローチは、プロセッサ速度を犠牲にして消費電力を削減することで、空冷温度でより多くのプロセッサを使用できるという点で、他のアーキテクチャと若干異なります。Blue Geneは6万個以上のプロセッサを搭載でき、ラックあたり2048個のプロセッサを搭載し、3次元トーラス・インターコネクトを介して接続されます。[40] [41]

中国の進歩は急速で、2003年6月にTOP500リストで51位にランクインし、その後2003年11月に14位、2004年6月に10位、2005年には5位となり、2010年には2.5ペタフロップスの天河一号スーパーコンピュータでトップの座を獲得しました。[42] [43]

2011年7月、8.1ペタフロップスの日本の京コンピュータが、600台以上の筐体に6万台以上のSPARC64 VIIIfxプロセッサを搭載し、世界最速となった。京コンピュータが地球シミュレータの60倍以上高速であること、そして地球シミュレータがトップの座に就いてから7年経った今でも世界で68位にランクされていることは、トップパフォーマンスの急速な向上とスーパーコンピューティング技術の世界的な成長の両方を示している。[44] [45] [46] 2014年までに地球シミュレータはリストから外れ、2018年までに京コンピュータはトップ10から脱落した。2018年までに、サミットは200ペタフロップスで世界最強のスーパーコンピュータとなった。2020年、日本人は442PFLOPSの能力を持つ富岳スーパーコンピュータで再びトップの座についた。最終的に、2022年から現在（2023年12月時点）まで、世界最速のスーパーコンピュータは、米国テネシー州のオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング・ファシリティ（OLCF）に設置されたヒューレット・パッカード・エンタープライズ・フロンティア（OLCF-5とも呼ばれる）となった。フロンティアはCray EXをベースにした世界初のエクサスケール・スーパーコンピュータであり、 AMDのCPUとGPUのみを使用している。Rmaxは1.102エクサフロップス（1秒あたり1.102京回の演算）を達成した。 [47] [48] [49] [50] [51]

過去のTOP500表

これは1993年以降にTOP500リストの上位に登場したコンピュータのリストです。[52]「ピーク速度」は「Rmax」定格として示されています。

top500.orgのデータに基づく、スーパーコンピュータの性能の急速な向上。対数軸のy軸はGFLOPS単位の性能を示しています。
  最大規模のスーパーコンピュータ500台の合計性能
  最速のスーパーコンピュータ
  500位のスーパーコンピュータ
年スーパーコンピュータピーク速度
（Rmax）		電力効率
（ワットあたりのGFLOPS）		位置
1993富士通 数値風洞124.50 GFLOPS国立航空宇宙研究所、東京、日本
1993インテル パラゴンXP/S 140143.40 GFLOPS米国エネルギー省サンディア国立研究所、ニューメキシコ州
1994富士通 数値風洞170.40 GFLOPS国立航空宇宙研究所、東京、日本
1996日立 SR2201 /1024220.40 GFLOPS東京大学、日本
日立 CP-PACS /2048368.20 GFLOPS筑波大学、筑波、日本
1997インテル ASCI レッド/91521.338 TFLOPS米国エネルギー省サンディア国立研究所、ニューメキシコ州
1999インテル ASCI レッド/96322.3796 TFLOPS
2000IBM ASCIホワイト7.226 TFLOPS米国エネルギー省ローレンス・リバモア国立研究所、カリフォルニア州
2002NEC 地球シミュレータ35.860 TFLOPS地球シミュレータセンター、横浜、日本
2004IBM ブルージーン/L70.720 TFLOPSDoE / IBM ロチェスター、ミネソタ州、米国
2005136.800 TFLOPS米国エネルギー省/米国国家核安全保障局、
ローレンス・リバモア国立研究所、カリフォルニア州、米国
280.600 TFLOPS
2007478.200 TFLOPS
2008IBM ロードランナー1.026 PFLOPS米国エネルギー省ロスアラモス国立研究所、ニューメキシコ州
1.105 PFLOPS0.445
2009クレイ ジャガー1.759 PFLOPS米国テネシー州エネルギー省オークリッジ国立研究所
2010天河-I A2.566 PFLOPS0.635中国天津国家スーパーコンピューティングセンター
2011富士通 「京」10.510 PFLOPS0.825理化学研究所、神戸、日本
2012IBM セコイア16.320 PFLOPSローレンス・リバモア国立研究所、カリフォルニア州、米国
2012クレイ タイタン17.590 PFLOPSオークリッジ国立研究所、テネシー州、米国
2013NUDT 天河 2 号33.860 PFLOPS2.215広州、中国
2016サンウェイ太湖ライト93.010 PFLOPS6.051無錫、中国
2018IBMサミット122.300 PFLOPS14.668米国テネシー州エネルギー省オークリッジ国立研究所
2020富岳415.530 PFLOPS15.418理化学研究所、神戸、日本
2021フロンティア1.353 EFLOPSオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング・ファシリティ、テネシー州、米国
2024エルキャピタン1.742 EFLOPSローレンス・リバモア国立研究所、カリフォルニア州、米国

輸出規制

ココム（CoCom）と、その後のワッセナー・アレンジメント（ Wassenaar Arrangement）は、高性能コンピュータ（HPC）の特定の国への輸出を法的に規制し、ライセンスと承認、記録保持を義務付け、あるいは全面的に禁止していました。こうした規制の正当化は困難になり、規制の緩和につながりました。これらの規制はそもそも正当化されなかったと主張する人もいます。[53] [54] [55] [56] [57] [58]

参照

  • コンピュータ歴史博物館のスーパーコンピュータ（1960年代～1980年代）
  • R. Espasa、M. Valero、JE Smith、「ベクトルアーキテクチャ：過去、現在、そして未来」、1998年第12回国際スーパーコンピューティング会議論文集

参考文献

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