スーパーコンピュータ技術史
既存の半導体技術を用いた設計方法は、量子コンピュータデバイス群である、ポストシリコン(カーボンナノチューブトランジスタやナノシリコントランジスタ)や高温超伝導素子によって得られることになるだろう。なぜならば、素子の振る舞いが既存のトランジスタ群と同じために扱いやすいという特徴を持つためである。(※)
完全な量子技術の場合には、解くべき課題によって特化された専用コンピュータとして出現する可能性が大きい。なぜならば、量子重ねあいの場合には、確率変数を取り扱わなければならない問題を抱えているためである。シミュレーション領域においては、確率変数を取り扱うことによってある程度の予測可能性が得られる。
1と2の考察の結果から明らかなように、当面は既存の半導体を置き換えるための量子技術が中心である。しかし、大容量のメモリーを取り扱ったり、多層記憶を可能にするための技術として量子技術が進展すると予測できる。
別記 今後1ビットをON、OFFで構成されたスイッチングCPUから1ビットを周波数データとして扱うようなCPUが可能になり、このようなCPUになってくると、内部では電気信号を使用しないため、ビット単位で処理を平行して行なうことができ、1サイクルで大量のフィルタプログラムの起動が可能で、画像処理などさらなる高速化が望める。またかなりの小型化も可能であるため、手のひらサイズのスーパーコンピュータも可能になると予測できる。
今後のコンピュータネットワーク技術について、断言できるだけの予測は不可能である。既に、地球全体がインターネットで接続される時代になった。しかし、様々な情報が飛び交い、どれが正しくどれが間違っているのかわからない事態に陥りつつある。
この観点から、クローズドネットワークとしての専用ネットワーク、オープンネットワークとしてのインターネットの区分けがきちんとされるようになった。このシステムは、今後も続くことになると思われる。
特に、専用ネットワークはある目的にあわせて設計されるため、非常に高性能かつ高速度になる。つまり、CCITT勧告によるOSI参照モデルのうち、ネットワークトランスポート層と物理層との間でのレイテンシーを解消するために、同期通信技術が用いられることになる。なお、完全同期とするためには、計算機間の計算速度のばらつきを解消する必要がある。このため、スカラ型スーパーコンピュータシステムでは、内部PEを同じプロセッサにする。
時間同期による精度の高い通信システムは、プロセッサ間の同期を正確に保つことになる。これによって、データ列はシステム同期に従って順序良く処理されることになる。
高速度の面においては、短い波長のレーザーを用いることによって、達成されることになる。紫外線レーザーを半導体技術を用いて発振させる技術が確立しつつある。
現在、主流となっているのは最適化技法と呼ばれる手法である。この手法は、コンパイラとユーザとの間の対話によって、その精度 や最適化密度 を決定していく方法である。この技法のみならず、初期値として最適化を行う方法があり、その技法の使い分けはユーザがどれだけハードウエア内部まで理解しているのかによって異なる。
ソフトウェア技術とは様々なレイヤーによって区分けされている。そして、その領域を経験から一歩ずつ上っていくユーザ層と、ただシステムを使うだけのユーザ層という場合がある。この両者を区分けするものはない、お互いのユーザ層がニーズ(Near Equalデマンド)「ニーズとは批判・指摘・改善提案等を聞くこと」を相互にフィードバックし合うことによって進歩が続いている。つまり、スーパーコンピュータにおいても、時代の要請や解くべき課題によってソフトウェア技術は変わっていくと予測できる。具体的には、より使いやすく、より対話型の言語へ。そして何より、解くべき課題のデータが重要であり、それらのデータを用いて解析を行うソフトウェア開発にはライブラリやフレームワーク、テンプレート等が必須となる。無論、課題を解くためには、その課題を認識する必要があり、当然その問題意識からデータを蓄積した上でのシミュレーションでなければ、正確な予測は難しい。
課題は、与えられる場合(特に、職務上)場合と、自ら発見する場合がある。教育プログラム等から明らかなように、与えられるのを経て、自ら発見し、課題を解決するための組織に所属しているのが一般の研究者である。
CDCとハネウェルによるETAシステムズでは、Cyber-205シリーズアーキテクチャーに液体窒素冷却ののCMOSを用いたスーパーコンピュータが発表されたが、テクニカルサポート面やセールスの失敗等によって短い期間で終了している。また高速性が期待されたガリウム砒素半導体による素子は、数値風洞が成功例であるが実用となったものとしては同システムが唯一と見られる(コンベックス・コンピュータに挑戦例があるようである)。ジョセフソンコンピュータ等も期待されたが広く知られた実用例は無い。超伝導素子に関しては量子デバイスとして、2010年頃から話題となっているD-Waveがそのような素子を利用している、と発表されている。
1960年代末の電卓に始まり、1980年代に大きく発展したパーソナルコンピュータ等ではCMOS論理が主力の素子であったが、スーパーコンピュータやメインフレームでは性能の点でECLが引き続き主力の座にあった。しかし、微細化に有利であることと、巨大な市場の存在によりCMOSテクノロジは急激に発展し、特に微細化によって高速化するという特性によって、それらハイエンドのレンジでも、1990年代にはECLからの交代が進んだ。スーパーコンピュータでは、たとえばSXシリーズの場合、SX-4で1994年にCMOS化された。CMOS化ではそれ自体による発熱の低下と、集積回路の集積度向上により筐体に余裕ができて熱条件も緩和され、SX-4では同時に液冷から空冷への移行も行われた結果コスト低減という利益もあった。
現在のフラグシップ技術の一つである、バイオメディカルコンピュータについて。この計算機群は、ヒューマンサポートのために開発されることになるであろう。なぜならば、様々な諸事情によって後天的に生じた障害を克服し、社会復帰を行うため。さらには、先天的な障害に関しては、記憶操作等の可能性があるため倫理的かつ同義的課題を含むため、将来生命倫理の観点から議論がなされるべきである。バイオメディカル型の場合には、人に優しい技術を目指すことが重要であり、非同期・同期設計も含めて、処理速度の遅い人間と処理速度の速いシステムとの仲立ちをするシステムとして構築されることが理想であるし、でなければならない。
つまり、バイオチップ型コンピュータとは、人の記憶や感情を操作するのではなく、人間が人間らしい生き方をするために生まれるコンピュータであるといっても過言ではない。なぜならば、人間の脳ほど高性能なコンピュータはない。多様な言語を操り、多様な感情表現ができ、一兆にも及ぶ細胞群を上手にコントロールして人が人らしく、この世界に存在するためである。
なお、その他を記載したのは、この流れを一時期のものに終わらせず、日本においては「脳の世紀」、アメリカにおいては、Dedicate of Brain(脳科学の10年計画)と呼ばれた時代を総括するためである。
長崎大学工学部濱田剛らは、2008年にGraphics Processing Unitを用いた際には270〜470GFLOPSを叩き出している。この事により、それまでの汎用CPUを多数用いたスーパーコンピュータ以外の可能性が見出された。それまで、GPUはコンピュータグラフィックスの内、ポリゴンレンダリングを加速するだけの用途と考えられていただけだが、SIMDのベクトルプロセッサ的(つまり、計算機加速機構的)な用途として用いることが可能となった(GPGPU)。
特に200X年以降は、DeepLearningやゲームグラフィックス用途などにおいて行列を用いた計算について、高速計算のニーズが高まってきておりGPUをそれらの計算資源として用いる実装が増えてきている。ただし、2020年に稼動を開始し理化学研究所と富士通が開発した「富岳」においては、GPUとの連携は採用されず、富士通A64FXを用いた、仮想化ベクトル技術が用いられている。これは、専用GPUを開発しているメーカーがNvidiaというメーカーのみに近い状態であることが大きい。
しかしながら、米国の次世代スーパーコンピュータ計画である、アルゴンヌ国立研究所のAuroraでは、インテルのCPUとGPUを統合しエクサスケールのスーパーコンピュータ建造計画となっている。
その高いエネルギー量を持つ、非常にコヒーレンシーの高いX線やガンマ線によって、分子構造の解明や結晶構造の解明が進んでいる。これを工学的に応用するためには、これからも技術開発が重要である。なぜならば、基礎研究がキチンと確立してから、応用技術開発への筋道が開けるためである。そのためには、多少高額であり、かつまた、難易度の高い技術であっても、産業界と学術研究機関の相互連携によって、裾野を広げる努力がこれからも求められていると思う。
現在のスーパーコンピュータシステムにおいて、システムの冷却方法が水冷型から空冷型に変更がなされているのは、心臓部である「システムモジュール(CPUとメモリ)」における漏水や腐食等の問題を解決するためである。スーパーコンピュータシステムは、パソコンなどとちがって、専用の建屋や電算機室などに設置される場合が多い。ゆえに、アクセスフリーや強度の高い場所に設置ができるため、多少の騒音や多少の消費電力では問題がないのである。近年、パソコン等において水冷型や静音型が増えてきているのは、生活の場所、事務処理の場所等で使用されることが多いためである。
以上のような、教訓や課題によって、近未来には更なるコンパクトかつ高性能な計算機が開発され、専用・汎用共に、高度な計算機が出現して、実用に供されることになるはずである。
ハードウエア技術に関しては、基本的には、EDSAC、UNIVAC、IBM、IILIACやCDCやクレイで設計された方法となんら変わりのないものである。時間をかけて成熟化することによって、データフローアルゴリズムに適したハードウエアが開発できるようになったことも大きな進歩であった。基本的には、CMOS-FETが開発されたことによって、低消費電力が達成されることとなった。さらに、絶縁層の設計を見直すことで電子移動が高速になり、それまで中心であったECLトランジスタといったデバイスを置き換えることが可能になった。電子の高速移動に関しては、江崎ダイオードから始まるトンネル効果ダイオード、HEMT等の高周波デバイスが開発されたことによって将来への進歩が続いている。これらは、高周波デバイスとして宇宙通信を初め、マイクロ波通信、さらには電波天文学の世界ではかなり以前から用いられてきた。
特に、ハードウエア技術の進歩をもたらしたのは、CMOS半導体の絶縁体単膜化であったり、Cuインシュレータ技術、であった。これらによって、低電力かつ高周波数のクロックにも耐えうる半導体プロセス技術が確立された。Cuインシュレータの高純度化によって、半導体内のインダクタンスを一気に低減し、非常に予測のしやすい半導体が構築できるようになったことである。また、微細加工技術によって、半導体のダイ自体をコンパクトにすることが可能になったことも、同期設計技術にとっては朗報であった。2015年4月現在、最先端の試作では10nm以下の世界に達しつつある。今後は、短波長の光源を用いて、さらなる超微細化加工技術が確立されると思われる。