コ・デザインで生み出すトップレベル性能

私たちが日常的に使っているパソコンを、高性能にして数万台つなげたものが、
スーパーコンピュータ（スパコン）。そう言われると単純そうですが、
より高性能にする技術と、より高速に動かすためのつなぎ方こそが「スーパー」の真髄です。
さまざまな工夫で、幅広い科学技術計算に役立つ唯一無二のスパコン開発に挑みます。

遠くて近いスパコンの世界

　誰もが日常的にパソコンを扱う時代ですが、スパコンとなると話は別。特別な研究をする人のための特別な装置だと考えがちです。でも基本原理は普通のパソコンと同じ。ただし、計算をするために特化された計算機を数百〜数万台もつなげて、複数の仕事を手分けして一斉に行います。そうして普通のパソコンでは何年もかかるような計算を1日で解いてしまうのが、「スーパー」たる所以です。
　実は多くの人が、スパコンを知らず知らずのうちに利用しています。その一つ、身近になったAI（人工知能）は、膨大なデータからそれらの関係性をあらかじめ学習し、問いに対して、その中から最も近い関係性と推論した情報を返します。この学習と推論を担っているのがスパコンです。
　計算機をたくさんつなぐほど性能は上がりますが、仕事を分担する計算機同士が通信すると、それだけ余計な仕事や時間が生じます。ですから、解きたい問題に応じて、計算時間と通信時間とのバランスを考えなくてはなりません。しかも、そのバランスはスパコンによって異なります。一言にスパコンといっても、それぞれの特徴があるのです。

これからの主役はGPU

　パソコンの中枢はCPU（中央演算処理装置）で、この他にゲームなどのグラフィックを扱うことに特化したプロセッサとしてGPU（画像演算装置）が搭載されています。一方、スパコンでは、この計算性能が高いGPUを、演算加速装置として画像以外の計算処理にも使います。AIを高速化するにも、もはやGPUは不可欠の存在です。2020年に登場した国内最高性能のスパコン「富岳」にGPUは使われていませんから、スパコン開発のスピードがわずか数年間でどんどん加速していることが分かります。
　筑波大の計算科学研究センターに、2022年12月に新しく設置されたスパコン「ペガサス」は、高性能のGPU120個が120台の計算機に搭載され、最先端のネットワークで接続されています。また、電源を切ってもデータが消えない不揮発性メモリを使っているのも特徴です。このようなGPUと不揮発性メモリの両方を備えたスパコンは世界で唯一。サイズ的にはかなりコンパクトですが、巨大なデータを扱う科学技術計算やAI分野の研究を強力に後押しすると期待されています。

鍵は「コ・デザイン」

　とはいえ、単にハードウェアの性能を上げれば良いというわけではありません。計算すべき課題があって初めて、その力が発揮されますから、ユーザーのニーズを踏まえることが重要です。つまり、スパコン開発には、それを作る人と使う人とが協働して設計する「コ・デザイン」の体制が欠かせません。ユーザーがどんな計算をしたいのか、ハードウェアにどんな特徴があるのかを互いに理解した上で、最適なスパコンの使い方について知恵を絞ることで、トップレベルの性能が得られます。
　筑波大では、スパコン開発とそれを使った研究の両方の機能が一つのセンターに共存しており、コ・デザインを実現できる環境が整っています。日本では9つの国立大学がスパコンセンターを持っていますが、このような研究体制を持っているのはここだけ。このことも、世界的に認められる研究力の高さにつながっています。

ユニークなスパコンセンターとして

　筑波大は、後発で比較的小規模なスパコンセンターだからこそ、ペガサスやその先代のシグナスなど、オリジナリティのある、ちょっと「尖った」ユニークなスパコンの提供を意識しています。全国の研究者に開かれた共同利用・共同研究拠点になっており、利用者の半分以上は学外の研究グループ。このセンターのスパコンを名指しで利用したい研究テーマは多く、学内の研究者であっても、審査に通らなければ使うことはできません。
　今やスパコンはあらゆる分野に必要なツールとなりました。ただ、高性能になるほど、それを動かすための電力も必要で、計算速度だけでなく省エネ性能も重要なスペックになります。実質的には数年程度で世代交代するスパコン本体を、できるだけ安価に作ることも求められます。たくさんの条件をクリアしながら優れた成果を出し続ける。そのプレッシャーをエネルギーに変えて、スパコンの理想形を追い続けます。