アメリカは世界のスーパーコンピューティングを支配しているのか？あまり知られていない中国のチップを発見

スーパーコンピューターは、あらゆるコンピューターの中で最も高速かつ強力なコンピューターです。科学研究や軍事などの主要分野で重要な役割を果たしています。これらは国の総合的な国力を反映したものであり、まさに国の宝ともいえるものです。おそらく、これらの巨大な怪物は、私たちのような普通の人々の生活からあまりに遠く離れているため、その存在を感知することすらできないのでしょう。しかし、最近のいくつかの出来事やニュースは多くの中国人の神経を逆なでしている。 5年の歳月を経て、米国初の「サミット」スーパーコンピューターがついに中国の「神威太湖光」から「世界最高のスーパーコンピューター」の称号を取り戻したのだ。

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米国の「サミット」が世界トップのスーパーコンピューターの王座を取り戻す

何？なぜ私たちは5年間もの間、米国をこれほど高いレベルでリードし続けることができたのでしょうか?このニュースを見て、このように感嘆する友人もいるかもしれません。はい、答えはイエスです。好奇心からこのニューススレッドをフォローしたところ、この馴染みのない分野に関する興味深いデータやストーリーがたくさん見つかりました。それを自分だけに留めておくのはもったいないので、整理してみんなと共有することにしました。

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単一の Summit スーパーコンピューティング サーバーの内部構造

強力なキャラクター「サミット」を活用して、まずは科学的な知識を学びましょう。スーパーコンピュータはどのような驚異的な計算能力を持っているのでしょうか?サミット スーパーコンピューターは IBM が主導しました。スーパーシステム全体は 4,608 個のコンピューティングノードで構成され、各ノードには 22 コアの IBM Power9 プロセッサー (調整を担当) が 2 個と NVIDIA Tesla V100 グラフィックス プロセッシング ユニット アクセラレーター (コンピューティングを担当) が 6 個含まれており、最大 200 京回/秒のピーク浮動小数点コンピューティング速度を提供できます。

27,648 個の NVIDIA Tesla V100 GPU コアがスーパーコンピューティングパワーを提供

では、1 秒あたり 200 京回の浮動小数点演算をどう理解すればよいのでしょうか?一般的なノートパソコンを基準にすると、Summit スーパーコンピューターの計算能力は 100 万台のノートパソコンに相当します。人間が 1 秒間に 1 回の計算を実行できる場合、Summit と同じ量の計算を 1 秒間に実行できるようになるには 63 億年以上生きる必要があります。

Summit は当然ながら、驚異的な計算能力を備えた大型マシンです。 4,608 個のノードはそれぞれ冷蔵庫ほどの大きさで、総重量は 340 トンです。約900平方メートルの超大型の部屋に設置されています。これらのノードを接続するケーブルの長さは 300 キロメートル近くあると言われています。驚異的な計算能力により、発生する熱は当然膨大になるため、すべての放熱には水冷が使用されます。サミットが1分間稼働するごとに15,000リットルの冷却剤が必要となり、8,000軒以上のアメリカの家庭に照明を灯すのに十分な電力を消費します。

米国のサミット・スーパーコンピューターがかなり強力であることがわかったが、中国のスーパーコンピューターのレベルはどの程度だろうか。

世界のスーパーコンピューターランキング：中国は弱くない

世界のスーパーコンピュータのランキングについては、世界で比較的認知度が高い「TOP500」リストがあり、これは権威ある海外のスーパーコンピュータ専門家が共同でまとめたもので、世界的に高い信頼性を持っています。 2018年の「トップ500スーパーコンピューター」リストでは、米IBMが新たに発表したSummitとSierraがそれぞれ1位と3位にランクインし、長年トップの座を維持してきた中国の「Sunway TaihuLight」と「Tianhe-2」は2位と4位に後退した。

世界トップ 500 スーパーコンピュータのトップ 10 (www.top500.org)

リストをよく見ると、Rmax（測定ピーク値）とRpeak（理論ピーク値）に応じてランク付けされていることがわかります。どのコンピューターでも、Rpeak 理論上のパフォーマンスは参考程度ですが、Rmax 測定パフォーマンスは、スーパーコンピューターの場合でもより重要です。次に、範囲をTOP5に絞り、これらの世界クラスのスーパーコンピューター間の実力の差がどれほど大きいかを見ていきます。

世界トップ5のスーパーコンピュータ

これまで、このリストのトップの座は中国の Sunway TaihuLight が数年間保持していた。 5年後、米国はサミットを釈放し、王位を取り戻した。データから判断すると、Summit の測定ピーク値は Sunway TaihuLight よりも約 31% 高くなっています。比較には実際の測定ピークデータを使用し、両者の作成時間の違いを考慮に入れると、両者の実際の差は一部メディアが主張するほど大きくはありません。

中国のスーパーコンピューターの力は依然として世界最大

次のデータセットはさらに興味深いものになるでしょう。以前、一部のメディアはTOP500リストのすべてのスーパーコンピューターを国別に分類し、206台のスーパーコンピューターが中国のもので、41%を占めていることを発見しました。リストには米国のスーパーコンピューターが124台含まれており、全体の25％を占めている。二大超大国である中国と米国は、世界のスーパーコンピューターの65％以上を独占している。中国のスーパーコンピューターの一部は米国に追い抜かれているものの、中国のスーパーコンピューターの規模は依然として世界一の座にあることは疑いようがない。

そこで疑問なのは、中国がいかにして再び米国サミットを追い越し、世界トップのスーパーコンピューター性能の座に返り咲くことができるかということだ。プロセッサを追加するだけでいいと言う友人もいますが、現実はそれほど単純ではありません。

技術封鎖の中で中国の「チップ」の力が上昇

世界クラスのスーパーコンピュータ システムの完全なセットを構築するのは、単にプロセッサを積み重ねるほど簡単ではありません。まず第一に、十分に強力な個々のコンピューティング チップ、高度なコンピューティング管理テクノロジ、オペレーティング システムからのサポート、および十分な財政的支援が必要です。もちろん、これらすべての背後にある最も重要な要素は、国家レベルでの政策支援と、トップクラスの科学技術分野の人材の十分な確保です。したがって、スーパーコンピューティングは国の総合力の反映であると言っても過言ではありません。

我が国のスーパーコンピューティングは比較的遅れて始まりましたが、急速に進歩しており、これは我が国の急速な発展のニーズと国家政策の支援に密接に関係しています。中国のスーパーコンピューター「天河2号」は、世界トップ500スーパーコンピューター選手権で6回連続優勝し、世界のスーパーコンピューターにおける中国の絶対的な地位を確立した。しかし、天河2号は当初、Intel Xeonチップソリューションを採用していたため、疑問や批判も寄せられました。中国のスーパーコンピューターの急速な発展は、2015年に米国政府がセンセーショナルな「販売制限」を発令するきっかけにもなった。米国政府は、インテルなどの企業による高性能コンピューティングチップの中国の4つのスーパーコンピューターセンターへの輸出を厳しく禁止したのだ。

国内のMatrix-2000アクセラレータがIntel Xeonに代わる

最近の米中貿易摩擦やZTE事件により、中国の「核心」は国家戦略のレベルにまで高められた。実際、米国は何年も前に我が国のハイテクチップ分野に対してすでに「技術封鎖」を課しています。 2015年に米国の「販売制限」事件が勃発すると、中国は国産チップを代替品として使うことを決めた。広州スーパーコンピューティングセンターが、年末までに国産のアクセラレータ Matrix-2000 を使用してオリジナルの Intel Xeon Phi アクセラレータを置き換え、Tianhe-2 スーパーコンピューティング システムをアップグレードすると発表したのは、2017 年 9 月になってからでした。国産チップにアップグレードされた後、天河2Aスーパーコンピューターは驚異的な計算能力の2倍を達成しました。

国産マトリックス2000は天河2Aの性能を2倍に

国産のマトリックス2000の登場により、米国の「技術封鎖」は打破された。アップグレードされた天河2Aスーパーコンピュータの浮動小数点性能は、従来の54.9PFLOPSから94.97PFLOPSに向上し、相互接続とI/Oのパフォーマンス指標も大きな技術的進歩を達成しました。ネットワーク帯域幅は従来の10Gbpsから14Gbpsにアップグレードされ、レイテンシは1.57usから1usに短縮され、メモリ容量は1.4PBから3.4PBにアップグレードされ、ストレージ容量は12.4PBから19PBにアップグレードされ、帯域幅は1TB/sに倍増し、消費電力は17.8MWから16.9MWに削減され、エネルギー効率が大幅に向上しました。

天河2Aスーパーコンピューターが国産チップの交換を達成

少し謎めいたMatrix-2000チップは、国立国防科学技術大学が独自に開発・設計したもので、ネット上では天津麦創社が製造したとの噂がある。中国のスーパーコンピューター事業における内部の不安と、米国の「販売禁止」という外部の脅威を背景に、中国のスーパーコンピューター企業は独自に開発したMatrix-2000で「ジェダイの反撃」を成し遂げた。この動きは間違いなく歴史に残るだろう。

04唯一の解決策は、完全に独立した研究開発をしっかりと行うことです

中国では、863計画の実施以来、スーパーコンピューティングシステムの研究開発が大きな注目を集めています。しかし、基盤が弱く、スタートが遅かったため、国際舞台では常に制約を受けてきました。 2015年に米国商務省がハイエンドチップの「販売禁止」を発動したことで、わが国のハイエンドチップの自主研究開発の道はさらに強化され、国家戦略レベルにまで高められました。中国で現在最大のスーパーコンピュータである Sunway TaihuLight は、このような背景から誕生しました。
Sunway TaihuLightスーパーコンピューターが再び競争相手を上回る

神威太湖光スーパーコンピュータには、中国が独自に開発した「神威26010」マルチコアプロセッサが40,960個搭載されている。このマルチコア プロセッサは、ピーク性能が 12.5 ペタフロップス、持続性能が 9.3 ペタフロップスの 64 ビット独立 Shenwei 命令システムを使用します。 2016年に国際TOP500組織が発表したリストでは、「Sunway TaihuLight」スーパーコンピュータシステムがトップに立った。 2位の「天河2号」に比べて速度が2倍近く速いだけでなく、効率も3倍高い。

謎のShenwei 26010マルチコアプロセッサ

Shenwei 26010 マルチコア プロセッサは、64 ビットの独立した Shenwei 命令システムを使用し、ピーク性能は 1 秒あたり 3.168 兆回、コア動作周波数は 1.5GHz です。 Sunway TaihuLight には、このようなプロセッサが 40,960 個搭載されています。中国独自のチップを使用して製造された「Sunway TaihuLight」が「天河2号」に代わってトップに立った。このリストに掲載された中国のスーパーコンピューターの総数も史上初めて米国を上回り、第1位となった。

Shenwei 26010 マルチコア プロセッサの登場により、基本的に Intel Xeon Phi アクセラレーション カードが置き換えられました。シングルチップの性能と Intel Xeon の間にはまだ性能差がありますが、サイズと消費電力の利点により、小型のシャーシに 256 個のコンピューティング ノードを配置でき、同じボリュームのコンピューティング性能は Intel Xeon Phi よりも優れています。

神威26010を報道する特別映画

Shenwei は他の国産チップと比べて、より控えめで神秘的です。それは、Shenwei プロセッサが誕生以来、軍事産業、国防、国家情報安全保障の使命を担ってきたからです。同社の研究開発部門である第56参謀本部研究所（無錫江南コンピューティング技術研究所）は、2003年に中国独自の高性能チップの設計を開始しました。国家の「コアハイテク基礎」主要プロジェクトの支援を受けて、Shenwei Processingは独自の命令セット開発を採用し、完全に独立した知的財産権を有しています。

天河3号スーパーコンピューターは2020年に開発が成功する見込み

わが国の2つの大型スーパーコンピューター「Sunway TaihuLight」と「Tianhe-2A」は米国の「Summit」と「Sierra」に追い抜かれましたが、2つの大国が勝ったり負けたりするのは当然です。政府からの報道によると、わが国の天河3号は現在積極的に開発が進められており、2020年には性能で神威太湖軽便の8倍を上回り、世界トップの座に返り咲くと予想されている。さらに期待できるのは、「天河3号」が、完全に独立した革新的な設計、独立した飛騰CPU、独立した天河高速インターネット通信、独立した麒麟オペレーティングシステムを採用する予定であることだ。

しかし、チップ分野で私たちが直面する敵は非常に強力であることを私たちははっきりと認識しなければなりません。 IBM、Intel、nVIDIA など、どのチップ会社も十分に強力です。また、米国政府が5年前にスーパーコンピュータープロジェクトへの支援を停止したことも注目すべき点である。代わりに、量子コンピュータの研究開発に多額の投資を始めました。これは、アメリカのスーパーコンピューターが停滞し、最終的に中国に追い抜かれた重要な理由でもあります。

国産チップが直面している課題と使命も同様に重大です。現在の国際情勢下では、自主的な研究開発の道をしっかりと歩み、人材の制約を完全に取り除くことが唯一の解決策です。 2020年に実用化される「天河3号」にしろ、その後の「神威太湖光」のアップグレードにしろ、国の経済生命線や情報セキュリティに関わるスーパーコンピューターの分野では、国産チップがますます強力になるだろう。待って見てみましょう！