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革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築について

【目次】 
  1. スーパーコンピュターの開発意義
  2. HPCIを取り巻く状況
  2-1 HPCIの構築
  2-2 HPCIの利用促進
  3. 将来のHPCI計画に向けた検討
  4. 衆議院決算行政監視委員会における行政監視に基づく事業の見直しに関する決議について  
【参考】
 革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築(概要版) (PDF:555KB)
 今後のHPCI計画推進の在り方について(中間報告)(平成25年6月25日)

1.スーパーコンピュータの開発意義

 スーパーコンピュータによるシミュレーションは、理論、実験と並ぶ科学技術の第3の手法として、最先端の科学技術や産業競争力の強化に不可欠な基盤となっています。例えば、シミュレーションにより、研究やものづくりに要する時間やコストの削減が図れるとともに、これまで実験や観測では解明できなかった現象を解析し新しい科学的知見を得ることが可能となることから、様々な分野の科学技術や産業の発展に大きく貢献することができます。
 また、その開発は、低消費電力半導体技術の獲得など、今後、我が国において継続的にスーパーコンピュータを開発していくための技術力の維持・強化を図ることができ、産業競争力強化の観点からも極めて重要であると考えます。
 諸外国でもスーパーコンピュータの開発・利用に力を入れており、我が国としても長期的な視点から継続的に進めていくことが必要です。

スーパーコンピュータの開発・利用の意義

 

2.HPCIを取り巻く状況

2-1HPCIの利用促進

 ■京の概要

  「京」は、高性能・低消費電力のCPUや超大規模構成を可能とするネットワークなど、数々の先端技術を結集して高性能・高信頼を追求したスーパーコンピュータです。広く国内外の研究者、技術者の利用に供することを念頭に、高い演算性能と幅広い範囲のアプリケーションに対応できる汎用性を兼ね備えています。

 

「京」が設置される計算科学研究機構

スーパーコンピュータ京

「京」が設置される計算科学研究機構
(兵庫県神戸市ポートアイランド)

スーパコンピュータ「京」
提供:理化学研究所計算科学研究機構

  • 平成23年3月に一部稼働。平成23年11月に性能目標のLINPACK10ペタフロップス達成 
  • 平成24年6月システム完成。平成24年9月28日共用開始予定

■HPCIの概要

 HPCIは、「京」や東京大学等の全国の9つの大学が保有するベクトル型を含むスーパーコンピュータや大規模ストーレジシステムをネットワークで結ぶとともに、これらのスーパーコンピュータ等を一つのユーザアカウントにより利用することなどができるように新たなシステムを構築するもので、「京」とともに平成24年9月28日からの共用開始を予定しています。
 これにより、全国の利用者が当該ネットワークを通じて「京」やベクトル型を含むスーパーコンピュータ等を利用できるようになり、HPCI上のスパコンで計算したデータを共有したり、共同で分析したりすることなどができるようになるなど、多様なニーズに応えられるものとなります。
 また、HPCIシステムの整備・運用については、計算科学技術に関わる開かれた場である、「一般社団法人HPCIコンソーシアム」と協力しながら実施していきます。

HPCIの構築について

<一般社団法人HPCIコンソーシアムの設立>

  計算科学技術に関わるコミュニティの幅広い意見集約の場として、HPCIシステムの整備・運用方針や我が国の計算科学技術の振興策並びに将来のスーパーコンピューテング等について検討し、国や関係機関に提言することを目的として、平成24年4月2日に「一般社団法人HPCIコンソーシアム(※一般社団法人コンソーシアムのウェブサイトへリンク)」が設立されました。

<経過>
 平成22年7月    HPCI準備段階コンソーシアム発足
             HPCIの構築・運用とコンソーシアムの形成に向け検討
平成24年1月30日 最終報告をとりまとめ
平成24年4月2日  一般社団法人の設立

■期待される効果 

 「京」は昨年11月に世界に先駆けて演算性能10ペタフロップスを達成し、昨年6月及び11月において世界スーパーコンピュータ性能ランキングにおいて二期連続で1位となりました。このことにより、世界各国が激しい開発競争を展開している中で、我が国の技術力の高さを示すことができました。具体的には、10ペタフロップスという高い演算性能に加え、次のような特長を有し、多くのユーザーにとって利便性の高いスーパーコンピュータとなっています。

<「京」の特長> 

  • 高い演算性能:世界に先駆けて10ペタフロップスを達成
  • 高い信頼性:全CPUフル稼働時の連続実行時間は29時間以上で世界最高水準
  • 高い実行効率:世界トップ10の平均が76%のところ「京」では93%
    ※実行効率とは理論性能に対する実施の性能の比率のこと。

 また、本プロジェクトでは、「京」を利用するアプリケーションも並行して開発を進めており、「京」が世界に先駆けて10ペタフロップスを達成したことにより、これらのアプリケーションを活用したシミュレーションを先行して実施することで、様々な成果を得られると期待されています。

<今後期待される「京」でしかできないシュミレーション成果(例)> 

  • 心臓の動きについて、これまで細胞・組織・臓器の部分的にしか再現できなかったものを、細胞・組織・臓器を全て含めた統合シミュレーションで心臓全体をありのままに再現することが可能となる。大学病院とも連携をして、心臓病の治療法の検討や薬の効果の評価を効率的に実施する

心臓の動き

  • 地震・津波の被害予測について、今までの50m単位(ブロック単位)のモデルによる予測から、より実際に近い地盤沈下や液状化などの複合災害を加味した10m単位(家単位)での予測等を可能とする。地方自治体とも連携を進めており、都市整備計画への活用による災害に強い街作りや、きめ細かな避難計画の策定等に貢献する

地震・津波の被害予測

  • 薬の開発にあたって、病気の標的タンパク質と薬の候補物質との結合をこれまでできなかった精度で高速にシミュレーションすることにより、新薬候補の物質を選び出す期間を約2年から約1年へと半減できる。製薬企業とも連携し研究開発を進め、画期的な薬剤の開発に貢献する

薬の開発

 

「京」によって獲得される技術及び期待される効果

■「京」の産業利用について

<産業利用の重要性とスタンス>
 産業界における利用については、スーパーコンピューティング技術産業応用協議会等を通じ、産業界の意見も聞くことにより、スーパーコンピュータの利用についての情報提供や支援体制の不足、ネットワークが不便等の課題があることを把握するとともに、これに対応して、

  • 一元的な情報提供や事前相談等を行う体制の構築
  • 研究開発に係る機密保持に配慮した利用環境を備え「京」とネットワークでつながるアクセスポイントを東京と神戸に設置
  • 産業利用の開拓に向けた波及効果が高い課題を選定する産業利用課題枠の設定 

 など、産業界に配慮した環境の構築をすすめています。
 なお、産業利用課題枠には「京」の計算資源の5%をあてることを目安としていますが、利用の状況も踏まえ、その割合については、柔軟に対応していきます。

産業利用の例

これまでの主な経緯(参考)

1)次世代スーパーコンピュータ・プロジェクト」の立ち上げまで

 平成17年8月、科学技術・学術審議会情報科学技術委員会計算科学技術推進ワーキンググループでとりまとめられた第二次中間報告書 において下記の事項などが提言されスーパーコンピュータプロジェクトがたちあがりました。

  • 我が国のスーパーコンピュータ開発をリードする最高水準の汎用システム(NLS(ナショナル・リーダシップ・システム))の開発を、長期ロードマップに従い戦略的に行うこと
  • 物質・材料、ライフサイエンス、ものづくり、防災などの8つの幅広い分野においてペタスケール・コンピューティングを実現することにより大きな成果が期待できること
  • 米国のスーパーコンピュータ戦略、半導体技術トレンド等も勘案しつつ、10ペタフロップス級の汎用スーパーコンピュータの研究開発プロジェクトを平成18年度には開始させる必要があること
     

計算科学技術に関する長期戦略

 

計算科学技術に関する長期戦略

この報告書を踏まえ、文部科学省において、

  • 計算科学技術を更に発展させ、広範な分野の研究及び産業における幅広い利用のための基盤を提供することにより、我が国の競争力の強化に資すること
  • ライフサイエンス、物質材料、防災・減災など多様な分野で社会に貢献する研究成果を挙げること
  • 我が国において、継続的にスーパーコンピュータを開発していくための技術力を維持及び強化すること

    を目的とし、世界最先端・最高性能の次世代スーパーコンピュータを開発・整備する「次世代スーパーコンピュータ・プロジェクト」を立ち上げました。

 平成17年11月、本プロジェクトについて、総合科学技術会議の事前評価(※内閣府のウェブサイトへリンク) を受け、システム構成について再検討を行うべき等のいくつかの指摘を受けましたが、「本プロジェクトは実施することが適当」とされました。
 また、平成18年3月に策定された第三期科学技術基本計画(※内閣府のウェブサイトへリンク)において、本プロジェクトは世界最高水準の科学技術の発展基盤として、国家的な目標と戦略の下に集中的に投資すべき大規模プロジェクトとして国家基幹技術に位置づけられました。
 これらを踏まえ、平成18年4月に「次世代スーパーコンピュータ・プロジェクト」が始まりました。

2)次世代スーパーコンピュータ「京」のシステム構成と検討経過

(1)複合型での検討着手

 次世代スーパーコンピュータ「京」のシステム構成については、開発主体である独立行政法人理化学研究所(理研)において検討を行い、その結果、スカラ型・ベクトル型両方の特徴を勘案し、スカラ・ベクトル複合型にすることにより、 

  • スカラプロセッサ向けに開発された多くのアプリケーションと、地球シミュレータに代表されるベクトルプロセッサ向けに最適化されたアプリケーションの両方を容易かつ発展的に利活用でき、ソフトウェア資産のより多様な有効活用が可能となる。
  •  スカラ型・ベクトル型の両者を同時に用いた複合シミュレーションを実行できるシステム環境を構築することにより、気象観測データのリアルタイム解析での連携計算など、より複雑な問題に対するシミュレーションの革新を先導できる。
  •  世界的主流となっているスカラプロセッサに演算加速機構を付加したプロセッサと、我が国が強みを持つベクトルプロセッサの改良型となる新しい汎用プロセッサを同時に開発することにより、将来の我が国のスーパーコンピュータ開発の技術力、国際競争力等の向上に一層貢献する。

 等の利点があると考え、複合型システムを選択しました。このことについては、平成19年6月の「科学技術・学術審議会 研究計画・評価分科会 情報科学技術委員会 次世代スーパーコンピュータ概念設計評価作業部会」(概念設計評価報告書) や同年9月の「総合科学学術会議」(「最先端・高性能汎用スーパーコンピュータの開発利用」について(※内閣府のウェブページへリンク)) の評価において妥当との評価を得ています。

(2)複合型から単一型への変更

 平成21年4月、「科学技術・学術審議会 研究計画・評価分科会 情報科学技術委員会次世代スーパーコンピュータプロジェクト中間評価作業部会」で実施した中間評価(中間評価報告書)において、

  • 米国のスーパーコンピュータ開発が加速しており、従来の計画では世界に先駆けて10ペタフロップス級の汎用計算機を開発・整備するという目標を達成することが困難
  • 複合システムとしての性能が十分でなく、一定の見直しが必要
     
    との評価を受け、複合システムの在り方を含め、プロジェクトの目標達成を念頭に置いた最適なシステム構成を再検討することとされ、これを踏まえ、理研において、システム構成の再検討を開始しました。

 そうした中、平成21年5月、当該企業等のうち、ベクトル部の開発を担っていたNECが経営環境の悪化等を理由に「京」の製造には参加しない旨表明しました。
 これを受けて、理研において、複合型ではなくスカラ部のみで構成されるシステム構成案へと見直しを行い、これについて、同審議会において中間評価を受け、平成21年7月、

  • スカラ部のみでもシステム全体としての性能目標を達成する可能性がある
  • ベクトル部の利用を想定していたアプリケーションに対する影響については、プログラムの書換え等の支援を行うことにより限定的なもの

  との結論を得て、複合型ではなくスカラ型単一システムとして10ペタフロップス級のスーパーコンピュータを開発・整備することとしました。

(3)HPCI計画への展開

 その後、「次世代スーパーコンピュータ・プロジェクト」は、平成21年11月の政府の事業仕分けの評価結果等を経て、同年12月、引き続き世界最高水準を目指しつつ、利用者側の視点に立った多様なユーザーニーズに応える「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ」を構築する計画(HPCI計画) へと進化・発展することとなりました。 ※HPCI計画については「2.HPCIの構築」参照.

~次世代スーパーコンピューター計画変更の経緯~

平成21年11月13日 
事業仕分け:「来年度の予算計上の見送りに限りなく近い縮減」との評価

12月 9日 
総合科学技術会議における見解付け:「10ペタ級の目標は達成できるものと評価されており確実に推進すべき」「国民の十分な理解を得ることが重要」等の評価

12月16日
4大臣(財務大臣、行政刷新大臣、国家戦略担当大臣、文科大臣)合意:「計画を変更した上での予算案への計上を認める」との結論

  • スパコン開発側(供給者)視点から利用者側視点へ
  • ナンバーワンの性能を引き続き目指しつつ、多様なユーザーのニーズに応える「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラの構築」を目指す。
  • 次世代スーパーコンピュータの開発スケジュールを変更
    (10ペタフロップス達成時期を平成23年11月→平成24年6月)

→平成22年度予算において国庫債務負担行為として、平成24年度までの3年間のシステム製造費を措置することを、国会にて議決(開発加速のための経費110億円を削減)

2-2.HPCIの利用促進

■「京」の利用の枠組み

 「京」は、特定先端大型研究施設の共用の促進に関する法律(共用法)に基づき、国の方針の下、登録機関(一般財団法人高度情報科学技術研究機構)が中立・公正の立場から、利用者の選定等を行う枠組みを構築しています。
 具体的には、登録機関の下におかれた選定委員会が選定方針の策定、利用者の選定等を行い、課題審査委員会が課題の審査等を行います。
 なお、「京」及びHPCIの利用に関する詳細については、HPCIポータル(※一般財団法人高度情報科学研究機構ウェブサイトへのリンク)をご覧ください。

「京」の共用の枠組み

  さらに、HPCI戦略プログラム推進委員会において、国としての戦略的見地をふまえて、「京」の利用枠を定めています。

「京」の利用者選定について

■HPCI戦略プログラム

 HPCI戦略プログラムは、社会的・学術的に大きなブレークスルーが期待できる分野(戦略分野)において、HPCIを活用した成果の創出と、研究推進・研究支援や人材育成等を進めていくための体制整備を進めていくものです。

 具体的には、「京」を中核とするHPCIを最大限活用し、1画期的な成果創出、2高度な計算科学技術環境を使いこなせる人材の創出、3最先端コンピューティング研究教育拠点の形成を目指し、戦略機関を中心に戦略分野の「研究開発」及び「計算科学技術推進体制の構築」を推進していきます

 文部科学省においては、平成21年に戦略分野として、以下の5つを決定しました。現在、各戦略分野における研究開発等を牽引する機関(戦略機関)を中心に先端的なシミュレーション研究や人材育成プログラムが行われています。

  • 戦略分野1 予測する生命科学・医療および創薬基盤(戦略機関:理化学研究所)
  • 戦略分野2 新物質・エネルギー創成(戦略機関:東京大学物性研究所、分子科学研究所、東北大学金属材料研究所)
  • 戦略分野3 防災・減災に資する地球変動予測(戦略機関:海洋研究開発機構)
  • 戦略分野4 次世代ものづくり(戦略機関:東京大学生産技術研究所、宇宙航空研究開発機構、日本原子力研究開発機構)
  • 戦略分野5 物質と宇宙の起源と構造(戦略機関:筑波大学、高エネルギー加速器研究機構、国立天文台)

HPCI戦略プログラム戦略分野

HPCI戦略プログラムの概要と成果(PDF:631KB)

3.将来のHPCI計画に向けた検討

 世界の情勢として、今後もスーパーコンピュータの開発競争は続き、性能も進化していくことを考えれば、我が国としても引き続き長期的な視点から戦略的に研究開発を推進することが必要である。また、第4期科学技術基本計画においても、世界最高水準のハイパフォーマンス・コンピューティング技術は、我が国が国際的な優位性を保持し、安全な国民生活を実現していくため、国自らが長期的視点に立って研究開発を推進すべき国家存立の基盤に関わる研究開発として位置づけられています。
 一方、平成17年8月に科学技術・学術審議会で示された戦略については、策定後5年以上経過していることから、スーパーコンピュータに関する最新の技術的動向や今後の科学的・社会的ニーズ、「京」プロジェクトから得られた成果等も踏まえつつ、我が国の技術力の獲得・継承や人材育成等も含め新しい戦略の策定が必要不可欠です。
 また、「京」の開発においては、当初、どちらかと言えば開発側の視点を重視して進められてきたが、これを改め、利用者視点に立ったHPCIの構築に展開した経緯を踏まえ、多様な利用者ニーズに応じる基盤として検討を進めることが重要です。
 このために本年度からシステムの高度化に必要な技術的知見の獲得を目的とした調査研究に着手するとともに、有識者からなる「今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討ワーキンググループ」 を設置し、今後10年程度を見据えたHPCI計画の推進のあり方に関する調査・検討を進めており、平成25年6月に「今後のHPCI計画推進の在り方について(中間報告)」をとりまとめました。今後、残された検討課題である利用環境や産業利用促進等の利用の在り方、人材育成などについても調査検討を進め、平成25年度末を目途に最終的な報告書をとりまとめることとしています。

 

「京」以降の計算科学技術に関する戦略について

4.衆議院決算行政監視委員会における行政監視に基づく事業の見直しに関する決議について

衆議院決算行政監視委員会における行政監視に基づく事業の見直しに関する対応状況について

関連するリンク先 

HPCI計画推進委員会
今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討ワーキンググループ
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題についての検討委員会
将来のHPCIシステムのあり方の調査研究「アプリケーション分野」(※独立行政法人理化学研究所計算科学研究機構ウェブサイトへリンク)
■HPCIの構築
HPCIポータルサイト(※一般財団法人高度情報科学研究機構ウェブサイトへのリンク)
一般社団法人HPCIコンソーシアム(※一般社団法人HPCIコンソーシアムのウェブサイトへリンク)
独立行政法人理化学研究所計算科学研究機構(※計算科学研究機構ウェブサイトへリンク) 
■HPCI戦略プログラム
HPCI戦略プログラム推進委員会
HPCI戦略プログラム中間評価委員会
戦略分野1 予測する生命科学・医療および創薬基盤(※独立行政法人理化学研究所のウェブサイトへリンク)
戦略分野2 新物質・エネルギー創成(※計算物質科学イニシアティブのウェブサイトへリンク)
戦略分野3 防災・減災に資する地球変動予測(※独立行政法人海洋研究開発機構のウェブサイトへリンク)
戦略分野4 次世代ものづくり(※東京大学生産技術研究所のウェブサイトへリンク)
戦略分野5 物質と宇宙の起源と構造(※計算科学連携拠点のウェブサイトへリンク)
<グランドチャレンジ・アプリケーションの研究開発>
次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(※次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発のウェブサイトへリンク)
次世代生命体統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(※次世代生命体統合シミュレーションソフトウェアの研究開発のウェブサイトへリンク)
■過去の委員会など
コンピュータアーキテクチャ・コンパイラ・システムソフトウェア作業部会(※戦略的高性能計算システム開発に関するワークショップのウェブサイトへリンク)
スーパーコンピュータ「京」事後評価委員会
次世代スーパーコンピュータープロジェクト中間評価作業部会
情報科学技術委員会 次世代スーパーコンピュータ概念設計評価作業部会
情報科学技術委員会 次世代スーパーコンピュータ作業部会
情報科学技術委員会 計算科学技術推進ワーキンググループ
次世代スーパーコンピュータ開発実施本部(※独立行政法人理化学研究所次世代スーパーコンピュータ開発実施本部ウェブサイトへリンク)
【その他】
きみの絵をうごかそう!プログラミン
文科政策ワンポイント講座 第3回 次世代スパコン(※文部科学省動画チャンネルMEXT chにリンク) 

関連資料

お問合せ先

研究振興局参事官(情報担当)付計算科学技術推進室

電話番号:03-6734-4275

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(研究振興局参事官(情報担当)付計算科学技術推進室)

-- 登録:平成23年06月 --