「富岳」”Begins”～「富岳」から始まる未来世界 ～理化学研究所 計算科学研究センター
センター長
松岡 聡
2020年11月17日

「富岳」の特徴
従来のスパコンアプリだけでなくSociety5.0-サイバーフィジカルなどへの幅広い分野へ対応

2

世界のスーパーコンピュータを凌駕した「富岳」
 “アプリケーションファースト”による“ムーショット”マシン開発に我が国を挙げて挑戦！
 新規に開発されたCPU「A64FX」など基幹となる技術を理化学研究所及び富士通、日本全国のスパコン研究者が参加して、国家プロジェクトとして開発を推進。
- 従来の米国製トップCPUの3倍の性能- スマホで用いられる汎用Arm CPUの上位互換、あらゆるソフトに対応(パワポも)- シミュレーションと共にAI強化機能も コデザインで進められた「富岳」の開発

提供: 富士通株式会社

全て同時達成はムーンショット的困難

 「富岳」２～３台で日本全体のITの１年分

3

Co-Designされたターゲットアプリケーション

富岳開発目標：「実アプリで京コンピュータ比で数十倍、最大100倍以上」

社会的・科学的課題（９重点課題）に向けた、アプリケーション性能向上の見込み

防災・環境問題

健康長寿社会の実現
生体分子システムの機能制御による革新的創薬基盤の構築

個別化・予防医療を支援する
統合計算生命科学

地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築

観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化（GENESIS）(Genomon)(GAMERA)(NICAM+ LETKF)

125倍以上8倍以上

エネルギー問題エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発

40倍以上(NTChem)

革新的クリーンエネルギーシステムの実用化

35倍以上(Adventure)

45倍以上

120倍以上基礎科学の発展

産業競争力の強化
次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成

近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発

宇宙の基本法則と進化の解明(RSDFT)(FFB)(LQCD)

30倍以上

25倍以上

25倍以上

「富岳」 ベンチマークテストで2期連続で４冠達成！
 全系稼働の「富岳」がすべての大規模演算性能を示すベンチマークで圧倒的１位！
 AI性能（HPL-AI）では２エクサを達成し、エクサスケールマシンとして性能を発揮！

ベンチマークテスト

１位

TOP500（LINPACK)

富岳

442.0 PFLOPS

Summit（米国）148.6 PFLOPS

2.97倍

HPCG

富岳

16.0 PFLOPS

Summit（米国）2.93 PFLOPS

5.48倍

HPL-AI

富岳

2.00 EFLOPS

Summit（米国）

0.55 EFLOPS

3.64倍

Graph500

富岳




スコア

102,950

単位

GTEPS

２位

太湖之光
TaihuLight (中国）

スコア

23,756

単位

GTEPS

富岳の優位性

4.33倍

ギガ（Giga）＝10の９乗 テラ（Tera)＝10の12乗 ペタ(Peta)=10の15乗 エクサ(Exa)= 10の18乗
フロップス(FLOPS: Floating Operations Per Second) 一秒あたりの(浮動)小数点演算性能
テップス（TEPS：Traversed edges per second） グラフ処理の能力を表す単位

5

「富岳」全系によるベンチマークテスト結果
シミュレー
11月
ション 6月シミュレーション13.4

6月 11月415.5 442.0

16.0

148.6

倍

倍

2.93

TOP500102,950

6月
70,980

4.33
2.99

3.64
2.58

倍倍

11月
6月 2.00

1.42

5.48

2.80
2.97

AI

HPCG

ビッグデータ 11月

0.55

23,756HPL-AI

Graph500
ビッグデータ処理での性能評価（単位：PFLOPS）（単位：PFLOPS）（単位：EFLOPS）

浮動小数点の演算での性能評価

実際にアプリケーションを稼働させた性能評価

AI処理での性能評価

2位に対して 3倍から5.5倍近い性能差を実現（単位：GTEPS）

6

「富岳」ランキング1位獲得！ 何がすごいのか？
 最近のスパコンランキング
CPU特殊CPUGPUGPUCPUGPU搭載スパコンや特殊スパコンが上位を独占 今回のスパコンランキング
CPUCPU「富岳」

特殊GPU

CPU

CPU

GPU

汎用CPU搭載スパコンが圧倒的世界1位に！
「国プロ」としての「ムーンショット」研究開発の成果

7
7

なぜ「アプリケーションファースト」なのに、主要スパコン性能ベンチマーク全てで一位が重要なのか？
 富岳の目的は「ソサエティ5.0」早期実現を含む、国民の関心事に応えるための幅広い分野のアプリを世界トップレベルで加速すること
 それぞれのベンチマークは、一部のアプリをモデル化→もし富岳がその目的通りに設計されていれば、あらゆるベンチマークでトップ性能を示すはず。
 もし富岳が一部ベンチでしかトップ性能が出なければ、設計目的を全く満たしていない→よって、主要スパコンベンチマーク全てで一位が重要

Society5.0における「富岳」の中心的役割
富岳の「重点課題」「成果創出」とほぼ一致「サイバーフィジカル」「デジタルツイン」等は正にシミュレーションそのもの

富岳はシミュ
レーション、ビッグデータ、A
Iの全てで世界一
9ソサエティ5.0: AI × シミュレーション
都市モデル × AI × シミュレーション
防災、減災災害に強いまちづくり

材料× AI × シミュレーション
革新的バイオ素材・高機能品の機能設計技術

気象ビッグデータ× AI × シミュレーション
リアルタイム気象予報
ゲリラ豪雨を予測ソサエティ5.0: データ科学 × シミュレーション
革新的ものづくりへの活用
数百ケースの形状の異なる車体に対する高精度空力シミュレーションの実施

ニューラルネットワークによるサロゲートモデルの構築

AI技術を活用した自動車空力多目的最適化

進化アルゴリズムを活用した多目的最適化
低燃費車

ΔCD

横風安定車

新型コロナウイルス対策に関する貢献－ Society5.0的社会要求に対する迅速な対応 －「富岳」による新型コロナウイルスの治療薬候補同定
分子動力学計算により、約2000種の既医学的側面からの研究存医薬品の中から、新型コロナウイルスの標的タンパク質に高い親和性を示す治療薬候補を探索・同定する。

（課題代表者；理化学研究所/京都大学

奥野 恭史）「富岳」を用いた新型コロナウイルス
表面のタンパク質動的構造予測

室内環境におけるウイルス飛沫感染の予測とその対策
通勤列車内、オフィス、教室、病室といった室内環境において、新型コロナウイルスの特性を考慮した飛沫の飛散シミュレーションを行い、感染リスク評価を行った上で、感染クライオ電子顕微鏡によって解かリスク低減対策の提案を行う。

れたウィルス表面タンパク質の立（課題代表者；理化学研究所/神戸大学

体構造を初期モデルとして、その社会的側面からの研究立体構造の動きを「富岳」を用いた分子動力学計算で予測する。

（課題代表者；理化学研究所

坪倉 誠）

杉田 有治）

新型コロナウイルス関連タンパク質に対するフラグメント分子軌道計算

パンデミック現象および対策のシミュレーション解析
今後生じうる社会経済活動への影響を評

新型コロナウイルス関連タンパク価し、収束シナリオとその実現方法を探室に対するフラグメント分子軌道る。あわせてウイルスの変異などにより計算を系統的に実施し、詳細な相感染・発病の経過が変化した場合に起こ互作用解析を行う。

りうる事象への対応を立案する。

（課題代表者；立教大学

望月 祐志）（課題代表者；理化学研究所伊藤 伸泰）

理化学研究所 計算科学研究センターは、スーパーコンピュータを⽤いた新型コロナウイルス対策研究のため本年3 ⽉に⽶国にて設⽴されたコンソーシアム（COVID-19 High Performance Computing Consortiumに参加。

12

「富岳」テクノロジー世界へ羽ばたく CPU「A64FX」搭載機が多くの研究機関や企業で採用
ブリストル大学
ライプニッツ・スーパーコンピュータ・センター
Regensburg大学

Cray.inc
ロスアラモス国立研究所
サンディア国立研究所

名古屋大学
情報基盤センター
理化学研究所
計算科学研究センター

ニューヨーク州立大学
ストーニーブルック校

オークリッジ
国立研究所

国立研究開発法人
宇宙航空研究開発機構

キヤノン株式会社

公益財団法人
計算科学振興財団

13

参考資料

スーパーコンピュータ「富岳」の基本性能


総ノード数：158,976ノード


384 ノード x 396 ラック = 152,064



192 ノード x 36 ラック =(参考）


「京」

6,912

88,128 ノード

通常モード（CPU動作クロック周波数 2GHz）


倍精度理論最高値（64bit） 488 ペタフロップス



単精度理論最高値（32bit） 977 ペタフロップス

半精度（AI学習）理論最高値（16bit） 1.95 エクサフロップス

整数（AI推論）理論最高値（8bit）
3.90 エクサオップス
 ブーストモード（CPU動作クロック周波数 2.2GHz）
（参考）単位

ペタ(Peta)=10の15乗 エクサ(Exa)= 10の18乗

フロップス(FLOPS: Floating Operations Per Second) 一秒あたりの(浮動)小数点演算性能



オップス (OPS: (Integer) Operations Per Second)

（参考）「京」との比較（「富岳」ブーストモード）

一秒あたりの整数演算性能



倍精度理論最高値（64bit） 537 ペタフロップス



倍精度理論最高値（64bit） 48倍



単精度理論最高値（32bit） 1070 ペタフロップス



単精度理論最高値（32bit） 95倍



半精度（AI学習）理論最高値（16bit） 2.15 エクサフロップス

半精度（AI学習）理論最高値（16bit） 190倍

整数（AI推論）理論最高値（8bit）



提供: 富士通株式会社

理論総合メモリバンド幅 163ペタバイト/秒※「京」は、いずれの精度でも11.28 ペタフロップス

4.30 エクサオップス

整数（AI推論）理論最高値（8bit） 1,500倍以上※「京」は、2.82 ペタオップス(64bit)



理論総合メモリバンド幅 29倍 ※「京」は5.64ペタバイト/秒

注釈）ここで示した数値は理論最高値であり、実際の速度は各種ベンチマークや、実アプリケーションによって測定される。

15

理化学研究所における「富岳」開発のあゆみ
2010年7月
計算科学研究機構が設置
2010年8月
HPCI プロジェクト開始
2010年9月「京」設置の開始
SDHPC（ポスト「京」）第1回会議

2006

2012年4月
ポスト「京」フィージビリティ・スタディ開始
2012年6月「京」設置工事が完了
2012年9月「京」の共用を開始
2012年11月
ACM ゴードン・ベル賞

2013

2011
2010

2006年1月「富岳」の前身である「京」プロジェクト開始

2018年４月「計算科学研究機構」から「計算科学研究センター」に改組／松岡センター長就任
2018年8月
ポスト「京」のCPUの仕様を公表
2018年11月
ポスト「京」製造が総合科学技術・イノベーション会議により承認を受ける

2014

2012

2011年6月「京」がTop500で世界1位
2011年11月「京」がTop500で2期連続の世界1位
ACM ゴードン・ベル賞で最高性能賞
2011年度末 (2012年3月)
SDHPC 白書2014年4月
ポスト「京」開発プロジェクト開始
2014年6月「京」 がGraph 500で世界1位

2021年度「富岳」供用開始予定

20192018

2013年度末 (2014年4月)
ポスト「京」フィージビリティ・スタ
ディ レポート

2020年4月
COVID-19対策に「富岳」活用
2020年5月「富岳」搬入完了
2020年6月「富岳」ベンチマークテスト結果発表

2020

2021

2019年3月
ポスト「京」製造開始
2019年5月
ポスト「京」の名称が「富岳」に決定
2019年8月「京」シャットダウン
2019年11月「富岳」プロトタイプでGreen500で世界１位
2019年12月「富岳」設置開始16

「富岳」が制覇した4部門の概要


LINPACK（密行列の連立一次方程式の直接解法）は、科学技術計算性能のクラシックなスパコンベンチマーク。

Top500リストは、LINPACKの実行性能を指標として、世界で最も高速なスーパーコンピュータの上位500位までを定期的にランク付けするベンチマークランキングの老舗。1993年に発足、ランキングを年2回（6月、11月）発表している。

Simulation
Top500HPCG

疎行列の連立一次方程式の反復解法である共役勾配法（conjugate gradient method）を用いた新たなスパコンベンチマーク。



LINPACKが要求する性能要件とアプリケーションで求められる性能要件との乖離から 、産業利用など実際のアプリケーションでよく使われるCG法のプログラムで性能を評価するために提案された。



演算性能よりは、むしろメモリアクセス性能がベンチマークの結果を大きく左右する。

近年、Top500の高ランク達成が自己目的化し、実際のアプリケーションの性能との乖離が指摘されている。







AI

低精度混合演算を用いることを認めたHPL（High-Performance LINPACK）の性能を計測するベンチマーク。

HPL-AI

Graph500

超大規模グラフの探索能力で計算機を評価するベンチマーク。

ソーシャルネットワークなど、実社会における複雑な現象を表現するビッグデータである大規模グラフ（頂点と枝によりデータ間の関連性を示したもの）の解析力を評価する。



演算能力だけでなく、メモリ性能、ネットワーク性能が重要！

低精度演算での演算能力を評価することで、ディープラーニングなどのAI処理の性能を評価することを目的とする。
HPL-AIは2019年11月にルールが公表されたた
め、今回が初めてのベンチマークランキングの発表となる。

※賞状は2020年6月のもの

Big Data

「京」は2014年6月 1位、2014年11月 2位、2015年6月から2019年6月まで１位

17

「Society5.0」実現に向けたプラットフォーム化へSociety5.0に対する「富岳」の技術的取り組み
 「富岳Arm」IoT主流のArmエコシステム・オープンソース


A64fx CPU：世界最速の汎用プロセッサ(x86, Arm含)
HPC・クラウド・AI・IoT全て包括するオープンソース汎用ソフトウェアスタック
VM, コンテナ、Spack Package Managerなど、各種管理、デプロイ

 「富岳AI」の開発


PyTorch, TensorFlow等の高速実装をDNNL for A64fx, Eigen等をベースに開発
富士通・理研・Arm社等との産学連携による開発体制
その他各種HPCとAIの融合

 「富岳クラウドサービス（FUGAKU Cloud Platform (FCP))」に向けたクラウドプロバイダとの連携

2020年度 「富岳クラウドサービス」のためクラウドプロバイダ8社と共同研究を開始。
富岳クラウド機能によるサービス基盤の構築と、その上での利用サービスの開発と実証
2021年度以降 本格運用へ

 「富岳ライブストリーム」で多数のIoTストリームデータのアプリケーションへの提供

種々の研究機関・企業と連携し、一定期間以上保存される観測データの格納・分析・学習・推論機構を提供「富岳Society5.0利用枠」新設：産業界・自治体・アカデミアの連合利用など 19

「富岳」 世界最大規模のAI基盤
日本がAIで劣勢を跳ね返すには• 莫大な学習データの収集
 今後の日本の政策により、統計的に有意なサンプル数は収集可能• 高性能AIインフラ
 Deep learning世界トップレベルのABCIの15～20倍以上の性能• 高度人材 上記条件が揃えば世界から人材が集まるGAFAに対抗し、追い越すことも可能(ABCIでは既に富士通・ソニーが一部達成）

 「富岳試作機評価環境の利用に関する覚書」を富士通と締結し、「富岳」上にAIフレームワークを創り上げ「富岳」を中心とした世界トップクラスのAI学習・推論・利活用の計算機環境基盤を構築する。
 大規模AIベンチマーク「HPL-AI」(2020年6月創設) に向け研究開発を行い、２期連続世界一位を獲得。
超高速なAIソフトウェアを「富岳」、商用機、クラウド等に展開しSociety5.0 の中心的なインフラとする。

20

量子コンピュータ開発でのリーダーシップは富岳が不可欠
量子コンピュータにスパコン（富岳）は不可欠• 量子ゲート素子開発のための物理シミュレーション
 多くの素子開発がスパコンのMaterial Informaticsをベースに実施中• 量子アルゴリズムのシミュレーション
 米国、フランスで実際にスパコン上でシミュレーションを通じ研究中• 量子超越性を比較・検証するためのHPCI Google の量子超越性の主張根拠とIBMの反証もスパコンで行われている

量子コンピュータの実現には、トップスパコンの開発と利用が必要

そもそも量子コンピュータで今後高速化が期待されているスパコンアプリは、全体の1～2割
ただし、それらが高速化される事は重要→ 今後もスパコンの高速化や使い分けの技術は必須

21

オープンソースコミュニティーとの協調
 標準OSディストリビューションの採用
 Armv8 Linux標準とバイナリ互換：
OpenHPC、 SPACKなどArm HPCエコシステムが充実、Python/Rubyなどのスクリプト言語で運用性が向上
 オープンソースコミュニティー上で機能開発し取り込み、エコシステムに貢献

オープンソース
コミュニティー

Red Hat Enterprise Linux 8（RHEL8）

Ruby

Arm、Linuxのオープンソースコミュニティーの活動やコラボレーションによって、多数のアプリやシステムが容易に利用可能

フェースシールドの効果
フェースシールドの飛沫防御効果と飛散抑制効果（マスクの代替）はどの程度なのか？
• 咳をした場合で検証• 鼻と口で同時呼吸を想定．
• 色は飛沫のサイズ（赤：百ミクロン，青：0.5ミクロン）

感染者からの飛沫を防御する効果

感染している場合の飛沫の飛散を防御する効果（マスクの代替）

提供：理研・豊橋技科大・神戸大，協力：京工繊大・阪大

23

「ウイルス飛沫感染の予測とその対策」：産学官連携
ステアリングメンバー

10月13日に合同説明会で発表

National Univ. of Singapore

協力メンバー

飲食店におけるマウスガードの効果（一般的な形状の検討）+・飲食店を活用した対策の実効性の確認
・飲食用フェイスシールドの開発

行政との連携「富岳」を活用した科学的知見をもとに、企業が実効性ある現実の対策を実施する協働取組
神戸市＝Society5.0実現のための取り組み
24

理化学研究所様と協働に至った経緯《新型コロナウイルスに関する研究》《三者の役割分担》

科学的検証

実用性
検証

具現化

検討中のフェイスシールド© TOPPAN PRINTING CO.,LTD.

“利便性”と“安全性”を踏まえ具現化①簡便さ（装着、使用）④見た目

メガネタイプの装着方式で誰でも直感的に、簡単に着脱可能フレームパーツを極力削減し見た目に配慮②飲食のしやすさ⑤運用面

飲食時はワンタッチで口鼻前のシールドが可動

シールドパーツは簡単に着脱が可能⑥安全性
理化学研究所様の検証をふまえたシールド構造の検討③表情が見える
フレーム・シールドともに透明素材を採用※画像はプロトタイプです

引き続き開発を推進、もうすぐ第一段の製品が完成

スマートシティ構想をともに推進

スマートシティ（スーパーシティ）構想において必要となる大規模なシミュレーション・AI・ビッグデータを可能にするのが「富岳」
27