RISTニュース

No．
５５（２０１３）6京7の性能指標について  
一般財団法人高度情報科学技術研究機構
富山 栄治

独立行政法人理化学研究所が開発したスーパーコンピュータ「京」が、２０１１年に演算性能の世界１位を獲得した。
「京」は約８万個のを持ち、１秒間に１京回の浮動小数点演算を可能とする。「京」の性能を示す様々な指標について紹介する。
「京」が獲得した演算性能世界１位の基準として使用された性能指標は
ベンチマー
クである。これは、連立一次方程式を計算することによって計算機の演算性能を評価する。
「京」の多角的な性能を示す性能指標として、演算性能だけではなく、メモリ性能、通信性能を含めた複数のプログラムによって構成されるベンチマーク、チャレンジベンチマークがある。
「京」はこのベンチマークに基づいて授与される賞においても世界一位を獲得した。
さらに、分野において実アプリケーションの実効性能と科学技術計算の成果に対して授与されるゴードン・ベル賞についても、２年連続で「京」を利用した研究が受賞し、研究における計算でもその高い性能が実証された。
その他、電力効率や連続実行時の安定動作信頼性の面でも、「京」は非常に高い性能を達成しておりその完成度の高さを示している。
１．はじめについての理解を深めるとともに、日本が世界２０１１年６月、世界のスーパーコンピュータに誇る「京」から生まれる成果に対する期待演算性能ランキング「
５００」 において、［１］を共有して頂ければ幸いである。

日本が誇るスーパーコンピュータ「京」が世界２．
「京」の紹介１位を獲得した。
さらに、続く１１月にも１位を維持した（図１）。日本のスーパーコンピュー

スーパーコンピュータ「京」は日本が世界タとしては地球シミュレータ以来の１位であ［３］に誇るシステムである［２］。愛称を一り、競争の激しい（

般公募し、１秒間に１京回（けい。１０１６）の ）の世界において非常に素晴らし

浮動小数点演算（例えば１．
２×１０４といった数い成果である。しかし、「京」が持つ性能を示値の表し方で記述される数を用いて行う四則す指標はこの
５００だけではない。

演算で、科学計算でよく用いられる）を実行

本稿では、スーパーコンピュータの性能は出来る能力を持つ事、もともと大きな門を表どのように計測する事が出来るのか、どのよし「計算科学の新たな門」にもつながる、なうに解釈することが出来るのか等について出

どの理由から「京」と名付けられた。英語で来るだけわかりやすく説明する。本稿を通じの表記はて、「京」が達成した様々な性能とその指標に



である。

２０１
１年 ６ 月 に は 開 発 途 中 で あ り な が ら−3−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）

５００における１位の推移

図１

表１２０１
３年

近年の
５００の１位
システム名国名

６月天河二号

中国

３３．
８６１１月




米国

１７．
５９６月





米国

１６．
３２１１月

京

日本

１０．
５１６月

京

日本

８．
１６１１月

天河一号Ａ

中国

２．
５７６月



米国

１．
７６２０
１
２年

２０
１
１年

２０
１０年

８．
１６
（ペタフロップス。は１るが、そもそも「京」が達成した
５００の秒間に実行する浮動小数点演算数を表す。

１位とはどのようなものなのか、そして、ス

１５６

９

１２＝１０ 。他に＝１０ ，＝１０ ，＝１０ などがーパーコンピュータの性能とは何なのか、にある）の演算性能を実現し、見事世界１位をついて説明していきたい。そのためにまず獲得した。当時、世界２位の天河一号Ａのは、スーパーコンピュータとは何なのか、に２．
５７に比べ約３倍の性能であった。

ついて簡単に見てみる。

そして続く１１月には最終構成にて計測し、世界で初めて１０を達成するとともに、３．スーパーコンピュータとは２期連続での１位を獲得した（表１）。

様々な分野の大規模科学技術計算を行うた

このように華々しい数字が並ぶ「京」であめの超高速処理が可能なコンピュータのこと−4−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）を一般にスーパーコンピュータと呼ぶ。超高を説明する。

速処理とはおおまかにその時代の一般的なコ「京」を始め、現在世界中で開発されているンピュータと比較して非常に高い性能、とい多くのスーパーコンピュータは、簡単に表すう意味であり、従ってその具体的な対象は国と図２のような構成になっている。ストレーや時代と共に変化する。日本では２００５年にジについては省略した。

「１．
５以 上 の 演 算 性 能 を 持 つ コ ン

処理の基本単位となるものをノードと呼ピュータ」をスーパーコンピュータと定義しび、演算を行うと、演算に必要なデータている。とプログラムを記憶するためのメモリが接続２００５年当時の一般的なパーソナルコンピュされている。このノード一つが、に近いータ（）の演算性能は数で構成と言える。そして、このノードが超高速あり、そのおよそ１，０００倍の性能としてスーなネットワークによって大規模に接続されたパーコンピュータを定義していたと言える。

ものが近年のスーパーコンピュータの構成でなお、現在のに搭載されている最新ある。

は百に達しており、その当時のスー近年のスーパーコンピュータ開発はパーコンピュータと比べて１０分の１に迫る性数やコア数を増大させる方向に進んでおり、能である事からも、コンピュータの性能向上「京」
においては８２，９４４個ものノードで構成さの速さが伺える。

れている。そのため、数万にも及ぶをどれだけ効率よく活用出来るか、という点が重スーパーコンピュータの構成要になっており、この事が「京」をはじめと次に、には不可能な高性能をスーパーするスーパーコンピュータの性能指標を理解コンピュータがどのように実現しているのか

図２

する上で重要である。

スーパーコンピュータの構成−5−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）ベンチマークの問題点

以上を踏まえて、まずは冒頭でも触れた
５００の基準として利用されている演算性ベンチマークは現在に至るまで能指標ベンチマークについて、そ計算機の演算性能指標として利用されているの内容と意義について見ていく。

が、「密行列の連立一次方程式を解くその方式は科学技術計算全般を代表するものではな

４．
ベンチマーク

く、スーパーコンピュータの性能を評価するは、本来は線形代数学の数値演指標としては充分ではない」という批判があ算を行うソフトウェア・ライブラリのひとつる。

であった。その後、計算機システムの浮動小スーパーコンピュータの構成要素としては数点演算性能を評価するためにベ、メモリ、ネットワーク等があるが、ンチマークとして広く利用されるようになっベンチマークでは実行時間の殆どた。

を行列−行列積による和と積の演算時間が占ベンチマークは「指標」という意味である。

めている。この行列−行列積では性能計算機の性能を評価する場合、等のハーが重要になり、メモリ性能がベンチマークスドウェアスペックだけを見ることは適切ではコアに殆ど影響を与えない。同時に、問題サない。計算機は様々なハードウェア・ソフト

イズに対して演算量はの３乗に比例するウェアの複合で構成されており、また、例えが、一方で通信データ量はの２乗に比例すばと言っても様々な種類があるため、異るため相対的に通信負荷は低く、ネットワー

なる種類のの場合単純にクロック周波ク性能についてもベンチマークスコアへの影数などだけで比較出来ないからである。その響が小さくなる。

ような場合に、ベンチマークプログラムを実しかし、実アプリケーションでは多くの場行し、そのスコアを指標とすることで計算機合メモリ性能やネットワーク性能もまた非常の性能を評価・比較することが可能となる。に重要である。

ベンチマークで計算しているのメモリとネットワークは、理学・工学で一般的な元連立一次方程メモリとは演算に使用するデータを記憶し式を解く問題であり、この問題を解くのにか必要に応じてアクセスするための記憶装置でかる時間を基にを算出する。今日であるが、スーパーコンピュータに使用されるは、スーパーコンピュータの演算性能を計測メモリには複数の種類があり、それらが図３する指標として活用されており、この指標にに示すように階層構造を構成しと接続基づいて世界
５００が決められている 。

されている。

［４］「京」の 開 発 もベ ン チ マ ー ク

それぞれのノード内にはまず非常に高速だ

１０達成を目標の一つに掲げた。

が容量の小さいキャッシュメモリがあり、次ベンチマークというものに馴染に、速度が遅いが大容量のメモリ、更にそのみがない方もいるかもしれないが、最近はス先に他ノードに属するメモリがある。他ノーマートフォンアプリとしても配布されていドに属するメモリは、アクセスするのにネッる。興味のある方は自身のスマートフォンのトワークを経由する必要があるため更に速度演算性能を計測してみてはいかがだろうか。

が遅くなるが、その容量は膨大になる。

ち な み に
５ で は
１，２９６であった。

−6−RISTニュース

図３

No．
５
５（２０１３）

メモリの階層構造

メモリがこのような階層構造になっているークは一つの重要な性能指標ではあるもの

理由は、高速かつ大容量という理想のメモリの、実際にスーパーコンピュータ上で実行さが価格的にも技術的にも実現困難なためであれる様々なアプリケーションが要求するシスる。

テム性能に対する指標として不充分ではない

また、は演算の際にはキャッシュ上のか、という意見も多い。

データにアクセスする必要がある。もし必要そのため近年では、の性能を計測するなデータがキャッシュ上に置いていない場合新たな指標としてチャレンジベンチマにはメモリ上から、さらにそこにも無い場合ークに注目が集まっている。にはネットワーク経由でデータを一旦コピー５．チャレンジベンチマークしてから利用する。そのため、キャッシュの内容はその都度必要なデータによって上書き［５］チャレンジベンチマーク（）されるという特徴がある。従って、多くのアとは、システムの性能をより多角的に評

プリケーションでは、演算を実行するために価する事を目的とするベンチマークで、米国ノード内のメモリから、あるいはネットワー

（

ク経由で他ノードのメモリからデータを転送）プロジェクトの一環として２００３年する必要がある。に公開された。は表２に示す７種のプ  ログラム（コンポーネント）で構成される。
このような状況から、演算性能のみが主としてスコアに反映されるベンチマ−7−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）

表２
コンポーネント名

内のコンポーネント

容求められる性能

テスト項目



連立一次方程式

総合演算性能

４種のメモリバンド幅計測

メモリ性能






整数データのランダム参照

ランダムな１対１通信に対す
るネットワーク性能

行列の転置

全対全通信に対するネットワ

ーク性能



１次元高速フーリエ変換

演算性能とネットワーク性能 










通信によるメッセージ交換

ネットワーク性能

レイテンシ、バンド幅実数行列の行列積

演算性能




データアクセスの局所性

これらのコンポーネントは、科学技術計算で多用される計算パターンから抽出したもの

データアクセスの局所性には、空間的局所であり、それぞれのプログラム毎にシス性と時間的局所性がある。空間的局所性とテムに要求する性能が異なっている。これらは、データにアクセスした時に、メモリ上のを総合して評価することで、システムに近い場所にあるデータにもアクセスする可能ついて現実の問題を解く能力を評価する。

性が高いかどうか、という性質である。空間

さらに、この７つのコンポーネントにはそ的局所性が高い場合、メモリ階層の上位に対れぞれ、並列性に関して以下の３つの分類にしてアクセスする頻度が高くなりネットワー基づいた評価が複数含まれている。単一プロク通信が少なくて済むため、主としてメモリセス実行による（）、全ノードを用い性能が重要になる。逆に空間的局所性が低い

る が 明 示 的 な 通 信 は 行 わ な い

場合は通信性能が重要になる。

（ ）、全 ノ ー ド で 通

時間的局所性とは、データにアクセスした信を行う（）である。これらにより時に、その後近い時間内に再び同じデータにテスト項目は合計２８項目となり、アクセスする可能性が高いか、という性質でで充分に評価出来ていなかったメモリ性能・ある。時間的局所性が高い場合、同じデータネットワーク性能を総合した様々な観点からに対して何度もアクセスするためキャッシュ評価することができる。

を有効活用する事が可能となり、性能を発揮しやすい。

としてこの７つのコンポーネントが選ばれた理由は、世の様々なアプリケーショ

様々なアプリケーション毎にシステンの性能を捉えるにあたり、データアクセスムに対して求める性能は大きく異なるが、デの局所性という概念が重要である、との考えータアクセスの局所性という観点でアプリケがあるためである。

ーションを分類すると、どのような局所性を持つかによってアプリケーションが必要とする性能が把握出来る。そこで、では時−8−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）間的・空間的局所性の特徴が異なるベンチマ ークを採用することで、多角的な視点からされる。正確には賞にはクラス１と２システムを評価することが可能になる、があり、クラス１ではベンチマークの性能値と考えている［６］。

を競うのに対し、クラス２は生産性の高さを

図４を見ると、で採用された各コン

 （）にて表彰競うものである。

ポーネントが空間的局所性・時間的局所性の以降ではクラス１の賞に採用されて異なる特徴を持っている事がわかる。


いる４つのベンチマークについて、具体的には通信特性に特化したベンチマークで見ていく。

あるため図に含まれていない。
そしての評価項目のうち、特に４
項 目 が賞（


図４［７］）としてコンポーネントの位置づけ−9−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）

表３

近年の賞１位










２０１２京京

京

２０１１京

京

京

京

２０１０


テム全体の演算性能、メモリ性能および通信大規模な連立一次方程式を解く演算速度を性能を総合的に評価出来る。は実アプリ計測するためのベンチマークである。時間的ケーションにおいてしばしば利用されるた局所性と空間的局所性が共に高く、通信性め、をどれだけ高効率で実行出来るかは能・メモリ性能を必要とせず、演算性能が評非常に重要である。

価される。いくつかの制限があるものの、
賞各賞の歴代１位（表３）を見ると、

５００で採用されているベンチマークと同様の基準である。

「京」は
性能世界１位を獲得した
２０１１年のみならず、２０１２年においても


賞の３つの項目で１位を保っている。すなわ

並列プロセス（ノード）間でのランダムメ

ち、システムの総合的な性能指標においモリアクセス性能を計測するためのベンチマて現在でもトップの性能である事がわかる。

ークである。ランダムなアクセスであるたま た、２０１
２年 に 唯 一 １ 位 を 逃 し た

め、使用するデータの空間的・時間的局所性

は無く、主として通信性能が評価される。

能であり依然として高い性能を示している。

についても、「京」は２位の性な お、の 特 徴 の ひ と つ と し て、


５００で近年数多くランキングしている

多重負荷時のメモリアクセス速度を計測すアクセラレータを搭載したシステるためのベンチマークである。高い空間的局

ムは高評価になりにくい、という傾向があ

所性があり、メモリからデータを転送する性る。アクセラレータは、限定された計能が評価される。現在の主要なシステ

算に対しては非常に高い性能を発揮するが、ムでは、性能に比べてメモリ性能がボト一方でルネックとなる場合が多く、本ベンチマークせない等、総合的な性能評価では苦手とするの性能が高ければが本来持つ性能をよ項目があるためである。

ではその性能が活かり発揮出来る事を意味する。
このように、はベンチマ

ークだけでは計測することが出来ない、１次元高速フーリエ変換による総合性能をシステムについての実用的な性能を計測する計測するためのベンチマークである。空間的指標となっている。しかし、システムに局所性は低く時間的局所性が高いため、シスとって最も重要なのは「実際のアプリケー−10−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）ションについて」いかに高い性能を実現し成実際のアプリケーションでも高い性能を発揮果を生み出すか、ということであろう。そのし、その成果に大きく貢献し続けている事が意味で、もうひとつ、システムの性能をわかる。

示す指標となるゴードン・ベル賞について説７．その他の指標明する。

ここまで見てきた性能指標以外にも、「京」６．ゴードン・ベル賞

は様々な観点で非常に優秀な性能を達成してゴードン・ベル賞［８］ は、科学、工学、大規いる。
ベンチマークにおける９３％

模データ分析など様々な分野のアプリケーという非常に高い実行効率をはじめ、性能電ションに適用されている技術の革新・発力比は８３０．
１８ となっており（表展を目的としてアメリカ計算機学会が授与す

４）、これは、「京」のような大規模システムる賞である。シミュレーションにおける最高においてはトップクラスの性能と言える。この演算性能達成や大規模な計算の実現、実効れにより、スーパーコンピュータの省エネラ性能の高さなど、特別な成果に対して贈られ［９］ンキング５００
では２０１
１年６月に６る。ゴードン・ベル賞は毎年にて受賞者が位を獲得した。これは、システムが大規決定され、分野において最も注目される模化し、その消費電力が問題になっている現賞となっている。

在では、非常に意義のある事である。

２０１１年には理化学研究所、筑波大学、東京

また、ベンチマークにおいて約大学、富士通株式会社による研究グループが３０時間の高負荷連続運転を達成した（表４）。

京コンピュータを用いた１００，０００原子シリコ

ランキング上位の他のシステムに比べン・ナノワイヤの電子状態の第一原理計算で飛び抜けて長時間運転が出来ている。膨大なゴードン・ベル賞を受賞した。そして２０１
２年数の部品が搭載されているシステムでには筑波大学、理化学研究所、東京工業大学

は、プログラムの実行中に一部が故障してしによる研究グループが、約２兆個におよぶダまう可能性が無視できない。その意味で、こークマター粒子の重力進化シミュレーションのような長時間実行に耐えられるという事はでゴードン・ベル賞を受賞した。

非常に高い信頼性がある事を示している。

このようにスーパーコンピュータ「京」は、

表４ ２０１１年１１月
５００上位の性能指標
演算性能（）

実行効率
（％）

電力効率
（ ）

実行時間
（）

京

１
０．
５１

９３

８３
０．
１８２
９．
４７

中国

天河一号

２．
５７

５５６３
５．
１５

３．
３７３

米国



１．
７６７５２５
３．
０９１
７．
２７４中国




１．
２７４３

４９
２．
６４

１．
９１５日本
２．
０

１．
１９

５２

８５
２．
２７

２．
４０

順位

国

１

日本

２

システム名−11−

RISTニュースNo．
５５（２０１３）

８．おわりには、自動車や飛行機の設計・製作のための構

スーパーコンピュータ「京」に関する様々造解析や流体解析、気象シミュレーションなな性能指標を通して、「京」が実用問題を解く

ど様々な分野で使われており、今後の科学技ために開発されたシステムであり、現在でも術の発展に不可欠なものとなっている。

トップクラスの性能と使いやすさを実現してこのような背景のもと、既に日本でも「京」いることがご理解頂けたことと思う。に続くスーパーコンピュータ開発の動きが始

スーパーコンピュータによるシミュレーまっている。
「京」が社会に大きく貢献するスションは、実験、理論と並ぶ研究開発の第３ーパーコンピュータとして多くの成果に繋がの手法として近年益々重要になっている。そるとともに、競争の激しいスーパーコンピュれは、現在の最先端科学の研究の中には対象ータの世界において日本のスーパーコンピュが複雑あるいは巨大すぎて実験が困難な場合ータの開発・利用がこれからも発展していくがあるからである。スーパーコンピュータ事を期待したい。

参考文献［１］ 
［２］  
［３］ 特集スーパーコンピュータ「京」，情報処理 ．
 ．
８ ．
２０
１２［４］   

［５］ 
  ［６］      
［７］   ［８］  
［９］ 

−12− 