(57)【要約】【課題】並列計算機における気象予測モデルの演算の高速化を可能とする。【解決手段】並列計算機２は、複数のＣＰＵを収容するシャーシが併設され、各シャーシ間が接続して構成される。ホスト計算機１は、この並列計算機２に対し、各ＣＰＵそれぞれに気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付ける。各ＣＰＵは、この割り付け指示により担当する演算領域の大気状態を計算したのち、隣接するＣＰＵにより計算される物理量と交換を行う。ホスト計算機１は、上記演算領域の割り付けるときに、シャーシに収容されるＣＰＵの個数に基づいて、シャーシ間の通信の発生回数を最小にするように演算領域を割り付けるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホスト計算機と、複数の演算処理ユニットを収容し、個々のユニット間を第１の伝送路により接続してなる複数のシャーシが併設され、前記各シャーシ間を前記第１の伝送路より低速の第２の伝送路で接続してなる並列計算機とを備え、前記ホスト計算機からの指示により前記並列計算機にて気象予測対象領域の大気状態を演算する気象予測演算システムであって、
前記ホスト計算機は、複数の演算処理ユニットそれぞれに前記気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付ける割付手段を備え、
前記並列計算機は、前記演算領域の割付を受けて前記複数の演算処理ユニットそれぞれに演算領域を設定し、大気状態を表す物理量を計算させる計算制御手段と、前記複数の演算処理ユニットに対し、隣接するユニット間及びシャーシ間で前記物理量を交換させる交換制御手段と、前記物理量に基づく演算結果を前記ホスト計算機に出力する出力手段と
を具備し、
前記領域割付手段は、１シャーシに備えられる演算処理ユニットの台数に基づいて、第２の伝送路の通信回数が最小となるように演算領域を割り付けることを特徴とする気象予測演算システム。
【請求項２】
ホスト計算機と、複数の演算処理ユニットを収容し、個々のユニット間を第１の伝送路により接続してなる複数のシャーシが併設され、前記各シャーシ間を前記第１の伝送路より低速の第２の伝送路で接続してなる並列計算機とを備え、前記ホスト計算機からの指示により前記並列計算機にて気象予測対象領域の大気状態を演算する気象予測演算システムで用いられる演算処理方法であって、
前記ホスト計算機は、複数の演算処理ユニットそれぞれに前記気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付け、
前記並列計算機は、前記演算領域の割付を受けて前記複数の演算処理ユニットそれぞれに演算領域を設定し、大気状態を表す物理量を計算させ、前記複数の演算処理ユニットに対し、隣接するユニット間及びシャーシ間で前記物理量を交換させ、前記物理量に基づく演算結果を前記ホスト計算機に出力し、
１シャーシに備えられる演算処理ユニットの台数に基づいて、第２の伝送路の通信回数が最小となるように演算領域を割り付けることを特徴とする演算処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気象予測モデルの演算を行う気象予測演算システム及び演算処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気象予測システムは、コンピュータで大気の流れを計算することで、各種諸元の時系列的な変化をモデル化した気象予測モデルを作成し、将来の気象状況を予測するための情報を提供するものである（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
この気象予測モデルの演算では、膨大なデータを扱う必要があるため、気象予測対象領域である３次元空間を水平・鉛直方向に格子に分割し、各格子点についての物理量を計算している。３次元空間の領域が広くなったり、格子幅が小さくなったりすると、格子点数が増大し、これにより演算時間を要する。この問題を解決するために、気象予測モデルの演算には、並列演算に対応したソフトウェア設計をとっており、３次元空間を水平方向に分割する「２次元領域分割」を採用している。これにより、各ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理ユニット）は、割り付けられた演算領域の大気状態を表す物理量を計算し、計算された物理量を時間積分のタイムステップ毎に交換することで並列演算を実行する。
【特許文献１】特開２００３−０９０８８８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、広領域の気象予測モデルを精度良く演算するには、多くのＣＰＵを用いて並列演算を行う必要がある。上記述べたように各ＣＰＵによる並列演算を行う際には、隣接するＣＰＵとデータを交換するため、ＣＰＵが増加するにつれて、データの交換回数は増加し、ＣＰＵ間で多くの通信が発生する。
【０００５】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、並列計算機における気象予測モデルの演算の高速化を可能とする気象予測演算システム及び演算処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためにこの発明に係わる気象予測演算システムは、ホスト計算機と、複数の演算処理ユニットを収容し、個々のユニット間を第１の伝送路により接続してなる複数のシャーシが併設され、前記各シャーシ間を前記第１の伝送路より低速の第２の伝送路で接続してなる並列計算機とを備え、前記ホスト計算機からの指示により前記並列計算機にて気象予測対象領域の大気状態を演算する気象予測演算システムであって、前記ホスト計算機は、複数の演算処理ユニットそれぞれに前記気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付ける割付手段を備える。また、前記並列計算機は、前記演算領域の割付を受けて前記複数の演算処理ユニットそれぞれに演算領域を設定し、大気状態を表す物理量を計算させる計算制御手段と、前記複数の演算処理ユニットに対し、隣接するユニット間及びシャーシ間で前記物理量を交換させる交換制御手段と、前記物理量に基づく演算結果を前記ホスト計算機に出力する出力手段とを具備する。そして、前記領域割付手段は、１シャーシに備えられる演算処理ユニットの台数に基づいて、第２の伝送路の通信回数が最小となるように演算領域を割り付けることを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係わる演算処理方法は、ホスト計算機と、複数の演算処理ユニットを収容し、個々のユニット間を第１の伝送路により接続してなる複数のシャーシが併設され、前記各シャーシ間を前記第１の伝送路より低速の第２の伝送路で接続してなる並列計算機とを備え、前記ホスト計算機からの指示により前記並列計算機にて気象予測対象領域の大気状態を演算する気象予測演算システムで用いられる演算処理方法であって、前記ホスト計算機は、複数の演算処理ユニットそれぞれに前記気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付け、前記並列計算機は、前記演算領域の割付を受けて前記複数の演算処理ユニットそれぞれに演算領域を設定し、大気状態を表す物理量を計算させ、前記複数の演算処理ユニットに対し、隣接するユニット間及びシャーシ間で前記物理量を交換させ、前記物理量に基づく演算結果を前記ホスト計算機に出力し、１シャーシに備えられる演算処理ユニットの台数に基づいて、第２の伝送路の通信回数が最小となるように演算領域を割り付けることを特徴とするものである。
【０００８】
上記構成の気象予測演算システム及び演算処理方法では、低速通信の発生が少なくなるように、各演算処理ユニットに対して演算領域を割り付けている。これにより、本構成全体の演算速度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
したがってこの発明によれば、並列計算機における気象予測モデルの演算の高速化を可能とする気象予測演算システム及び演算処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
図１は、この発明に係わる気象予測演算システムの一実施形態を示す構成図である。このシステムは、ホスト計算機１と並列計算機２とを備え、ホスト計算機１と並列計算機２との間で通信可能である。並列計算機２は、ホスト計算機１からの指示により、気象予測モデルを演算し、演算結果をホスト計算機１に出力する。
【００１１】
ここで、並列計算機２の構成について図２及び図３を参照して説明する。  
図２は、並列計算機２に搭載されるシャーシの前面を表す図である。並列計算機２には、このシャーシ２１が複数台数（例えば、７台）設けられる。そして、シャーシ２１には、ＣＰＵを備える計算ユニット２１０１が複数（例えば、１４ユニット）収容される。気象予測モデルの演算では、気象予測対象領域を複数の演算領域に分割し、各ＣＰＵにこの演算領域をそれぞれ割り当てて計算を行う。
【００１２】
図３に、シャーシ２１の背面図を示す。シャーシ２１は、スイッチング・ハブ２１１を備え、シャーシ２１に収容される全ての計算ユニット２１０１とスイッチング・ハブ２１１が有する各ポートとがそれぞれ接続されている。さらに、スイッチング・ハブ２１１の背面に設けられた外部通信ポートのうち、ポート２１Ａは、シャーシ間接続スイッチＳＷに接続され、ポート２１Ｂは、ホスト計算機１に接続される。
【００１３】
シャーシ間接続スイッチＳＷは、シャーシ間をそれぞれ接続するスイッチング・ハブ等で構成される。このシャーシ間接続スイッチＳＷが有するポートＰ１〜Ｐｎは、並列計算機２に搭載される各シャーシ２１に通信ケーブルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，…を介してそれぞれ接続される。例えば、ポートＰ１は、通信ケーブルＬ１を介してシャーシ２１のポート２１Ａと接続される。並列計算機２では、このシャーシ間接続スイッチＳＷを介して他のシャーシ２１のＣＰＵと間での通信を可能とする。
【００１４】
次に、図１を参照して、この気象予測演算システムの動作について説明する。  
まず、ホスト計算機１は、各ＣＰＵに対して演算領域を割り付け、気象予測モデル演算に関するパラメータを決定する（Ｓ１）。このパラメータには、ΔＴ（予測単位時間）や演算結果を出力する出力時間間隔などが含まれる。次に、ホスト計算機１は、並列計算機２に対して、上記決定した演算領域割付設定及びパラメータを送信する（Ｓ２）。
【００１５】
並列計算機２では、各ＣＰＵにおいて、上記割り付けられた演算領域のΔＴ秒後の大気状態を計算する（Ｓ３）。計算値が求められると、各ＣＰＵは、隣接する演算領域を担当するＣＰＵと上記計算値を交換する（Ｓ４）。ステップ（Ｓ３）及び（Ｓ４）は、繰り返し行なわれる。そして、並列計算機２は、上記設定された出力時間間隔で演算結果である気象予測モデルを出力する（Ｓ５）。
【００１６】
ところで、図４は、２次元領域分割と計算される物理量の交換の様子を示す概念図である。気象予測モデルの演算においては、図４に示すように、３次元空間を水平方向に分割する「２次元領域分割」を適用し、隣り合う領域で計算される物理量を交換することで並列演算を可能としている。
【００１７】
この並列計算機２は、上記述べたような構成であるため、ＣＰＵ間で物理量を交換するには、シャーシ２１内のＣＰＵ間で行う場合と、他のシャーシ２１のＣＰＵと行う場合の２通りがある。シャーシ２１内のＣＰＵ同士で物理量を交換する場合は、シャーシ２１に設けられるスイッチング・ハブ２１１を介してそれぞれお互いの計算結果を交換する。このスイッチング・ハブ２１１は、通信先のＣＰＵを認識し、送信先のＣＰＵが接続されているポート同士を直接接続して、他のポートにパケットが流れるのを防止しているため、高速に多重通信することが可能である。
【００１８】
一方、他のシャーシ２１のＣＰＵと物理量を交換する場合には、シャーシ間通信が発生する。つまり、各シャーシ２１とシャーシ間接続スイッチＳＷは、通信ケーブルにより接続されるため、シャーシ間通信が行なわれる度に伝送遅延が発生する。また、シャーシ間で同時に多数の物理量の交換処理が行なわれる場合、シャーシ間を接続する通信ケーブルには一度に大量のデータが伝送されるため、通信性能がさらに低下するおそれがある。このことから、できるだけシャーシ間の通信を減らすことのより、演算を高速化することが可能となる。
【００１９】
図５は、各ＣＰＵに対して割り付ける演算領域の一例を示す図である。例えば、日本全国をカバーするように設定された全体領域を２次元領域分割する際に、同図左側は、シャーシ２１に収容されるＣＰＵの個数を考慮せずに、単に並列計算機２に搭載されるＣＰＵの総個数に基づいて演算領域を割り付けたものである。一方、同図右側は、本発明を適用したホスト計算機１による演算領域の割り付け例であり、シャーシ２１に収容されるＣＰＵの個数に基づいて、シャーシ間の通信が最小となるように演算領域の範囲が選定されている。同図左側のように分割した場合と比較すると、シャーシ間通信が減少し、演算速度が高速になることがわかる。
【００２０】
以上述べたようにこの実施形態では、並列計算機２は、複数のＣＰＵを収容するシャーシが併設され、各シャーシ間が接続して構成される。ホスト計算機１は、この並列計算機２に対し、各ＣＰＵそれぞれに気象予測対象領域を分割した演算領域を割り付ける。各ＣＰＵは、この割り付け指示により担当する演算領域の大気状態を計算したのち、隣接するＣＰＵにより計算される物理量と交換を行う。ホスト計算機１は、上記演算領域の割り付けるときに、シャーシに収容されるＣＰＵの個数に基づいて、シャーシ間の通信の発生回数を最小にするように演算領域を割り付けるものである。
【００２１】
したがって、この実施形態によれば、シャーシに収容されるＣＰＵの個数に基づいて、演算領域が割り付けられるため、シャーシ間の通信回数が減少する。これにより、並列計算機２による気象予測モデルの演算速度を高速化することができる。なお、上記実施形態では、日本列島を横断するように、各シャーシのＣＰＵに演算領域を割り付けているが、これに限らず、例えば、日本列島を縦断するように割り付けるようにしてもよい。また、並列計算機２の構成、例えば、シャーシ２１の台数、シャーシ２１に収容される計算ユニット２１０１や演算に使用されるＣＰＵの数など、この発明を逸脱しない範囲で種々に変形して実施できる。
【００２２】
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明に係わる気象予測演算システムの一実施形態を示す構成図。
【図２】図1の並列計算機に搭載されるシャーシ前面を表す図。
【図３】図1の並列計算機に搭載されるシャーシ背面を表す図。
【図４】２次元領域分割と計算される物理量の交換の様子を示す概念図。
【図５】各ＣＰＵに対して割り付ける演算領域の一例を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１…ホスト計算機、２…並列計算機、２１…シャーシ、２１０１…計算ユニット、２１１…スイッチング・ハブ、２１Ａ，２１Ｂ…ポート、ＳＷ…シャーシ間接続スイッチ、Ｐ１〜Ｐｎ…ポート、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…通信ケーブル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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