東京大学大学院情報理工学系研究科 小柳義夫

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1 東京大学大学院情報理工学系研究科 小柳義夫
Supercomputing in KEK 東京大学大学院情報理工学系研究科 小柳義夫 KEK 2006/2/6

2 どうしてKEKにスパコンが？ ＫＥＫにとってスーパーコンピュータとは何か 「数値加速器」
世界的なＨＰＣの流れの中でＫＥＫのスーパーコンピュータを位置づける スーパーコンピュータ設置の裏話 物理学とスーパーコンピュータ KEK 2006/2/6

3 HPCの歩み（その１） 1946～1964 計算機の萌芽時代 1950年代 HPC(-3) 世代 STRETCH
1946～1964 計算機の萌芽時代 1950年代 HPC(-3) 世代 STRETCH 1960年代 HPC(-2)世代(mainframe 第1世代) CDC6600, Array Processors 1970年代前半　HPC(-1)世代 “実用的” ASC, Star-100, ILLIAC IV, BSP［KEK創立］ 1970年代後半　HPC神代時代 Cray-1, 75APU, IAP 1980年代前半　HPC第１世代（並列ベンチャー創業） Cyber205, XMP, S810, VP200, SX-2 KEK 2006/2/6

4 HPCの歩み（その２） 1980年代後半 HPC第２世代 1990年代前半 HPC第３世代 1990年代後半 HPC第４世代
YMP, ETA-10, S820, VP2600, SX-3, nCUBE, CM-1 1990年代前半　HPC第３世代 C90, T3D, Cray-3, S3800, VPP500, SX-4, SP-1/2, CM-5, KSR2　（HPCベンチャー破産、吸収の時代） 1990年代後半　HPC第４世代 T90, T3E, SV1, SP-3, Starfire, VPP300/700/5000, SX-5, SR2201/8000, ASCI(Red, Blue) 2000年代前半　HPC第５世代 ASCI，TeraGrid，BlueGene/L，X1, Origin,Power4/5, ES, SX-6/7/8, PP HPC2500, SR11000, …. KEK 2006/2/6

5 ＨＰＣ（-3）世代 1956：IBM starts 7030 project (known as STRETCH) 100 times faster than IBM 704 Atomic Energy Commission at Los Alamos. 1959: first STRETCH computer(only 7 built ) much of the technology re-surfaces in the later IBM 7090 and 7094. 1958: Gamma 60 (Bull of France ) multiple function units fork and join operations KEK 2006/2/6

6 ＨＰＣ (-２)世代 1964:IBM360 (mainframeの元祖)
1964: Control Data Corporation produces CDC 6600 1964：Atomic Energy Commission urges manufacturers to look at "radical” machine structures. This leads to CDC Star-100, TI ASC, and ILLIAC-IV. 1964: Air Force signs ILLIAC-IV contract with University of Illinois. (Burroughs and TI) KEK 2006/2/6

7 ＨＰＣ (-２)世代 演算パイプラインによってベクトル演算を高速に実行
1965年にIBM社のSenzigらによって最初に提案。 パイプライン方式と並列方式の比較を行なっている。 石油探査のためIBM 2983 Array Processor (1965) IBM360のI/Oチャンネルに接続する付加プロセッサとして開発 KEK 2006/2/6

8 HPC（-１）世代 ベクトル（パイプライン）計算機 並列計算機 ASC (1972, Texas Instruments社）
30 MFlops、7機製作 Star-100(1973, CDC社）STring ARray Computer? 50 MFlops、4機製作 並列計算機 ILLIAC IV (1973, Burroughs社） 並列度64、50 MFlops、1機製作 BSP (1974設計開始、1980開発中止、Burroughs社） 並列度16、50 MFLops KEK 2006/2/6

9 HPC神代時代 Seymour Cray CDC (Control Data Corporation) 社において、CDC6600 (1964, 1 MFlops) およびCDC7600 (1969、5 MFLops) を設計 1972年、CDC8600 計画が社内で拒否される 同社を退社し、CRI社 (Cray Research Inc.) を設立 CRI社は1976年160 MFlopsの性能をもつ Cray-1を出荷し、ロスアラモス研究所に納入 KEK 2006/2/6

10 HPC神代時代（Cray-1) 実装 自動ベクトル化コンパイラ
4ゲートのICを高密度に実装するという画期的技術でこのような性能を実現したことは驚異 自動ベクトル化コンパイラ 性能は十分でなく、使いこなすには技能が必要であった 当時、「このように高速な計算機は、世界に数台もあればよい。」などと言われていた たちどころに世界中に普及した。 日本にも2台納入（CRCと三菱総研） KEK 2006/2/6

11 HPC神代時代（富士通） FACOM 230-75 APU (1977） 商業的には成功とは言えないが、日本の最初のベクトル計算機であった。
22 MFlops、2機製作 航空技術研究所に納入 主記憶直結のベクトル計算機 間接参照のベクトル演算をサポートしていた点は注目される（CrayではXMP後半から） AP-FORTRANという拡張言語方式 商業的には成功とは言えないが、日本の最初のベクトル計算機であった。 KEK 2006/2/6

12 HPC神代時代（日立） IAP (Integrated Array Processor)というメインフレームに対する付加プロセッサ
HITAC M-180 IAP (1978), M-200H IAP (1979, 48MFlops)（筆者が利用） M-280H IAP (1982, 67 MFlops) 仮想空間上のデータに対してベクトル演算 性能向上はほどほど（数倍程度） 高度な自動ベクトル化コンパイラを装備 TSSでも使える KEK 2006/2/6

13 HPC神代時代（日立） 間接参照、総和、内積、1次漸化式
Cray-1がまだ完全にはサポートしていなかった機能を有していたことが特徴である。 M-280H IAP は、世界で初めて条件付きdo loopを自動ベクトル化できた。 キャッシュに頼ったベクトル演算には限界がありメインフレーム自体の高速化とともに姿を消した。 KEK 2006/2/6

14 HPC神代時代（NEC他） 日本電気 三菱電機 ACOS-1000 IAP (1982, 28 Mflops) 他にもあるかもしれない。
MELCOM COSMO IAP 詳細は不明 KEK 2006/2/6

15 HPC第１世代（1980年代前半） CDC社 CRI社 （設計 SteveChen）
Cyber 203 (1980, 200 MFlops) ２並列 Cyber 205(1981, 400 MFLops)　４並列 主記憶直結 CRI社　（設計 SteveChen） Cray XMP-2(1982, 630 Mflops) ２並列 Cray XMP-4(1984, 1260MFlops) ４並列 ベクトルレジスタあり KEK 2006/2/6

16 HPC第１世代（1980年代前半） 日立 富士通 日本電気 HITAC S-810/20 (1983, 630MFlops)
複数のベクトル演算器が、データ駆動計算機のように非同期に動作 富士通 FACOM VP-200(1983,570MF) 要素並列（機能的には１本のパイプライン） 日本電気 NEC SX-2 (1985, 1300MF) 独立なスカラー演算器 KEK 2006/2/6

17 アメリカのベクトル計算機との違い メインフレームとの互換性 単一プロセッサ： 大容量メモリ
メインフレームの発展としてベクトル計算機を設計したので、制御部は互換性を持つ。 単一プロセッサ： 多くのパイプライン(6～8)を装備する アメリカはパイプラインは少ない(1～2)が、並列機(並列度2～4) 大容量メモリ XMPは最大32MB（ただし高速） 日本機は最大256MB。 インターリーブ技術も重要。 KEK 2006/2/6

18 アメリカのベクトル計算機との違い 大容量ベクトルレジスタ 間接アドレスベクトル演算が可能 半導体技術 XMPはCPU当り2KB
S810/20やVP-200は64KB、SX-2は80KB 間接アドレスベクトル演算が可能 XMPでは途中からサポート。 半導体技術 日本は各社ともメインフレーム製造のために開発した半導体技術を使ってベクトル計算機を製造 KEK 2006/2/6

19 HPC第１世代（1980年代前半） その他の動き このころからアメリカでは多くのベンチャービジネスが並列計算機を製造（日本はなし）
CRI社Cray-2 (1985, 1952 MFlops) 富士通 VP-400 (1985, 1140 MFlops) Convex社 C1 (1985) IBM社は3090への付加型ベクトル演算器 VF (VectorFacility、1985、108 MFlops) このころからアメリカでは多くのベンチャービジネスが並列計算機を製造（日本はなし） KEK 2006/2/6

20 KEKにいかにしてスーパーが導入されたか？
1973年5月日立 H8700　［小柳着任9月］ カード計算機、ユーザファイルなし 1977年2月日立 H8800 ２台［離任７８年８月］ 私だけ使っているときシステムダウン 小柳先生、何か珍しいコマンド入れませんでしたか？ 1981年8月日立 M-220H ３台(IAP付) 1985年6月日立 M-280D,M-280H,　S810/10(128MB) KEK 2006/2/6

21 わたしのシミュレーション研究 1980年頃：spin系 1982年頃：lattice系に取りかかる
Metropolis法の勉強。最初は勘違い。 筑波大学の地下書庫で論文を発見 1982年頃：lattice系に取りかかる １編の論文(CPC)：任意次元のU(1)ゲージモデル。これを研究して勘を付ける。 フェルミオン：格子上のDirac方程式をどう解くか？ ILUCR法の開発（記録によると８３年４月１日） 1983年3月：東大にS810/20(64MB)設置 ILUCR法の超平面ベクトル化 KEK 2006/2/6

22 KEKにいかにしてスーパーが導入されたか？
東大のS810で味をしめる。M200Hに比べて２５倍の高速化。KEKにも欲しい！ 第四期にS810を押し込む(1985) S810/20(64MB) or S810/10(128MB)? 梅谷さんなどと相談。Memory優先に決定。 「名目性能より実質性能」の伝統始まる 要求はS810/20(128MB)拡張記憶付き！ 大多和氏「これでは原価割れ！」 KEK 2006/2/6

23 ＫＥＫスーパー余話 東大のS810/20利用中にソフトウェアのバグ発見：cexp (exp+sin+cos) 同期不足
稼働直後のKEK S810/10 でもテスト 「弊社にご連絡ください」のエラーメッセージ store時のパリティエラーであることをＨ社総力で解明。128MBへメモリ増加のためか。 後日、データ初期化(all zero)が原因と判明 KEK 2006/2/6

24 格子ゲージシミュレーション ILUCR for Wilson fermion 福来氏曰く、「１０倍に高速化せよ！」
1983年4月ごろ思いついた　 偏微分方程式より借用（村田健郎先生より） それまでのSOR系より高速 福来氏曰く、「１０倍に高速化せよ！」 Unrollingで２.5倍（コンパイラには負担） 前処理の加速で２倍 機種更新で2倍 イタリアやドイツでもさらに発展 KEK 2006/2/6

25 HPC第２世代（1980年代後半） ETA社、CDC社から独立（1983） CRI
ETA-10 (1987, 10 GFlops, 並列度8) 、 液体窒素冷却のベクトル計算機 主記憶直結 1989年に閉鎖 CRI Cray YMP (1988, 4 GFlops, 並列度8) XMPの後継 KEK 2006/2/6

26 HPC第２世代（1980年代後半） Steve Chen leaves Cray (1987)
Cray ZMP (crazy MP?) 開発中止 Supercomputer Systems, Inc.を創立 SSI is later funded by IBM Seymour leaves Cray (1989) CCC (Cray Computer Corporation)社を設立し、Cray-3, 4の開発に専念 KEK 2006/2/6

27 HPC第２世代（日本） 日立 富士通 日本電気 ベクトルアーキテクチャは類似（要素並列）
通産省「科学技術用高速計算システムの研究開発」( )、いわゆるスーパーコン大プロ 日立 HITAC S-820 (1987, 3 GFlops) 半導体技術はM680Hから移転 富士通 FACOM VP2600 (1989, 5GFlops, 並列度2) 半導体技術はM1800(1990)へ移転 日本電気 NEC SX-3 (1990, 22 GFlops, 並列度4) 半導体技術はACOS-3800 (1990)へ移転 ベクトルアーキテクチャは類似（要素並列） KEK 2006/2/6

28 S820/80(512MB)の導入 日米スーパーコン摩擦、buy American!! （1989年、301条の対日適用を決定し、スーパーコンピュータ等三品目を調査対象品目に指定。アメリカには一台も入ってないのに。） 次期スーパーコンは、Cray YMPを仮定して予算要求 空調だか電源のスペースが不足（建物の外に設置） ところが、入札翌日「なかったことに」 Ｏ氏のベンチマークプログラムが動かなかったか？ 納入が間に合わなかったか？ 1989年3月 S820/80設置 ちなみに同じ頃、筑波大のQCDPAX完成 KEK 2006/2/6

29 HPC第３世代 (1990年代前半) CRI社 CCC社 Cray YMP C90 (1991, 16 GFlops, 並列度16)
T3D (1993) Alpha chipを使った超並列機 CS6400 (1993) Sparcベースのサーバ機。 FPS (Floating Point Systems)社の遺産 CCC社 Cray-3(1993, 並列度4) GaAs技術NCARに納入 Cray-4を発表(1994) 1995年、破産 Seymour Crayは1996年9月自動車事故。翌月死亡 KEK 2006/2/6

30 HPC第３世代 (日本) 日立 富士通 日本電気 S-3800 (1993, 32 GFlops, 共有メモリ並列度4)
VPP-500 (1993, 1.6 GFlop/proc., 最大並列度222)分散メモリ並列ベクトル機 CMOSとGaAs 日本電気 SX-4 (1995, 2 GFlops/proc., 最大並列度512) 32まで共有メモリ可能な並列ベクトル機 CMOS、OSはunix KEK 2006/2/6

31 HPC第３世代 (並列計算機の動向) IBM （ほとんど一人勝ち） TMC 1993: SP1 1994: SP2 Convex
1994: Exemplar SPP KSR 1993: KSR2 TMC 1992: CM-5 KEK 2006/2/6

32 VPP500の導入 １９９０年代になってスーパーコンが予算上公認された（それまでは中央計算機の付属物） 並列計算機への動き
S3800 Cluster vs. VPP vs. ?? 1995年1月富士通 VPP500/80 導入 「アーキテクチャを変えても高性能を」 128GFlops KEK 2006/2/6

33 HPC第4世代（1990年代後半） CRI SGI Sun Microsystems IBM 1995: T90 1996: T3E
1996: SGIに吸収される。StarfireはSun Microへ。 1998: SV1 SGI 1996: Origin 2000 Sun Microsystems 1997: Sun Ultra Enterprise (Starfire) IBM 1999: RS6000 Power3 SP KEK 2006/2/6

34 HPC第4世代（ASCI project） Intel IBM SGI 1997: ASCI Red (Sandia)
Pentium Pro 1.8TF 1999: upgraded to Pentium2 3.2TF IBM 1998: ASCI Blue Pacific (LLNL) Power PC604e 3.8TF SGI 1998: ASCI Blue Mountain (LANL) MIPS TF KEK 2006/2/6

35 HPC第4世代(日本） 富士通(vector) NEC(vector) 日立(pseudo-vector) 1995: VPP300
1998: SX-5 日立(pseudo-vector) 1996: SR2201 (cp-pacs) 1998: SR8000, E1, F1, G1, …. KEK 2006/2/6

36 SR8000の導入 2000年3月日立 SR8000/F1 100node ( 1.2TFLOPS)導入 KEK 2006/2/6

37 HPC第５世代（２０００年代前半） 2000: ASCI White (LLNL, IBM) 12 TF
2002: ASCI Q (LANL, HP/Compaq/DEC) 20TF 2004: Thunder (LLNL) 23TF 2004: TeraGrid SDSC, CalTech, NCSA, ANL, Pittsburgh, …. 2004: BlueGene/L prototype (LLNL) 16TF 2004: NASA Columbia (SGI) 64TF? 2004: BlueGene/L at IBM 90TF KEK 2006/2/6

38 HPC第５世代（２０００年代前半） 2000: SGIはCray部門をTera社に売却、Cray Inc. と名乗る SGI IBM Sun
2002：X1 2004: XD1 SGI 2001: Origin3800 2002: Origin3900 IBM 2001: eServer p690 (Regatta) 2003: Power 5 Sun 2001: Sun Fire15000 KEK 2006/2/6

39 HPC第５世代（日本） NEC 富士通 日立 2002: 地球シミュレータ(2002, 40TFlops) 2002: SX-6
2002: PRIMEPOWER HPC2500 日立 2004: SR11000 KEK 2006/2/6

40 おわりに 加速器を用いた研究に加えて、スーパーコン（数値加速器）を用いた研究に市民権 名目性能より実質性能
「今のプログラムをそのまま高速化」ではなく、どの社のどんなアーキテクチャでもチューニングを厭わず 筑波大学のrccp/ccsのような「計算機開発路線」は取らず 京速計算機時代にはどうなるか！！ KEK 2006/2/6