2013年におけるスーパーコンピュータによる発見

Nicole Hemsoth
（この記事はHPCwire.comで2014年1月2日に掲載された記事です）

2013年はスーパーコンピュータにおけるすべてのエコシステムにとって素晴らしい年だった。；ベンダーは性能と能力の新技術を開発し、研究者のためのプログラミングはできたての技術で新しい見識を開いた。エクサスケールは、2010年末に我々が予測したよりさらに後部座席を占めている、その一方、生産用のHPC環境が燃えるような新しい道であることを示す多くのサインがある。

カレンダーが2014年に飛び込んで、我々は後ろ向きの一瞥を、世界最高速のシステムとそれを使う人々によって可能となった、いくつかの発見とチャンスに投げかけたい。すべては重要なテーマに沿った昨年のニュース記事から引き出したものだ。

我々はスーパーコンピュータが2014年とそれ以降において世界をどのように変えるのか30個の例を持ち上げた。このリストが決して徹底したものではないが、研究業界および産業界におけるキーセグメントがいかにHPCを導入しているのか分かる。

遠い、遠い銀河で・・・

HPCが主流として輝ける最も有名な「ショーケース」領域のgalaxyOneは、「我々はどこから来たのか？」または「宇宙は何かできているのか？」のような巨大な問題に対して、驚くべき答えのニュースが出てくる時だ。人が予測するかもしれないが、2013年は地球を超えた領域の発見にとって当たり年であった。

今年、テネシー大学ノックスビル校の国立計算科学研究所(NICS)のKrakenは革命的な原始惑星に属するディスク研究によって、いくつかの大規模な扱いにくい古典的物理学問題に対処した。一方、もうひとつの大型システム、OpteronベースのCray XE6システムである「Hopper」はローレンスバークレー国立研究所にある国立エネルギー研究科学計算センター（NERSC）の一部であり、comosを照らし出した。

10月に戻ってETZチューリッヒとリーズ大学の科学者のチームが300年に及ぶ謎である地球時点の性質を解いた。CSCSにインストールされたCray XE6スーパーコンピュータの「Monte Rosa」を利用し、研究者らは地磁気の段階的な西への動きの原因を解明したのだ。

この11月、カリフォルニア大学サンディエゴの天体物理学の研究者らは、サンディエゴスーパーコンピュータセンター(SDSC)やオーリッジ国立研究所の国立計算科学研究所(NICS)のメジャーな計算リソースを使って、星の形成に関する理解を進めた。

リード大学とシカゴの研究者らは太陽のような天体物理的地場の発生に関する重要なメカニズムを解明するためにスーパーコンピュータを利用した。そして計算宇宙論研究所（ICC）の研究者等は太陽フレアから銀河の形成に至る範囲の現象をモデル化するためにHPCを利用している。アイオワ大学のNSFに支援されたチームを含むその他の研究者等は、2013年と多くのスーパーコンピューティングを使って、研究所内では初めて直接宇宙乱流を計測するかもしれない。そのおかげで、世界は最終的にその後ろにある力学を見ることができるのだ。

いくつかは新しい発見を支援するために現在のリソースを強化するためにこの年を費やした。例えば、新しい60テラフロップスのスーパーコンピュータと1ペタバイトの高速ストレージシステムがサンタクルーズにあるカリフォルニア大学のキャンパスに最近インストールされた。このシステムは大学の天体物理学に対して、彼らがこれまでできなかったような天国をモデル化するのに必要な計算とストレージのクリアランスを提供するのだ。

医療における発見と研究

広範囲のソースプールからの情報により供給され成長を続けるデータセットであるCONNECTOME3Everはこの年、医療研究をスーパーコンピューティングのテリトリーへさらに押し上げている。ウィルス、遺伝データ、臓器に対するモデル化とシミュレーションの要求と、人間の脳に近づくスーパーコンピューティングは2013年の医療範囲における最も広く引用された研究のひとつである。

人間の脳へのスーパーコンピューティングは2013年の医療界で最も広く引用された研究項目のひとつだ。この年、人間脳プロジェクトは支援する機関とシステムによって前進し、このトピックはいくつかの講演と基調講演の議題であり、新しい年が始まるにあたり、回想するに値するものだ。

癌研究は強力なシステムに依存が高まるもうひとつの重要なフィールドだ。例えばこの年、エモリー大学の研究者等は癌腫瘍の経年変化に関する解析と理解のための能力が飛躍的に改善されたと報告し、Keenelandプロジェクトのスーパーコンピュータに感謝している。数週間掛かっていた癌腫瘍の高解像イメージによる解析はハイブリッドGPU-CPUシステムにより数分間で完了することができるようになった。

HIV/AIDSを含む複雑なウィルスもこの年大規模なスーパーコンピュータパワーを活用する研究のひとつであった。イリノイ大学アルバナシャンパン校の研究者等はBlueWatersシステムを使ってHIV-1ウィルスの内部構造のモデル化に成功した。AIDSの引き金となるウィルスであるHIV-1をターゲットとする新しい抗レトロウィルス薬の開発に扉を開いたのだ。

マラリアのような他のウィルスも革新的な研究のターゲットであった。ピッツバーグスーパーコンピュータセンター(PSC)とノートルダム大学はBill & Melinda Gates財団より1千6百万ドルの資金を取得し、マラリアの撲滅を目指す国際コンソーシアムであるVector Ecology and Control Network (VECNet)のために、コンピュータシステムとソフトウェアを開発する。この新しいVECNetサイバーインフラストラクチャプロジェクト(CI)は、研究、産業、公的ポリシーの努力を統合するためのVECNetの活動を支援し、開発途上国において最悪の病気のひとつをさらに効率的で経済的な方法で撲滅する支援を行う。

しかし、ワクチンのような人命救助の手段の配布が効率的に行われるならば、ワクチンを装備することにより、ウィルスはその途上で止めることができるのだ。西部アフリカの国であるニジェールのスーパーコンピュータによるシミュレーションでは、子供と母親に対するワクチンの供給が大体50パーセントから90パーセントに改善できることを示している。

もうひとつの前線では、研究者等は今年ストロークの解明に一歩近づいた。UCバークレーとカリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)のチームは国立エネルギー研究科学計算センター(NERSC)のスーパーコンピュータを使って、凝固を引き起こすストロークの破壊のための微小気泡と高強度集中超音波(HIFU)の効率性のモデル化を行った。

他にも自閉症研究のような多様な医療分野において、今年出現した世界的システムを動力とした注目すべき発展があり、新しく医療物理学の限界を押し広げた。来るべき年においては、さらなる計算能力がオンラインになって来る。我々は2014年においては多様な医療分野が驚くべきストーリーと発見をもらたしてくれると期待している。

気候変動と地球科学

非常に広範囲な時間におけるグローバルな移行というコンテキストにおける変動を解明することを含んだ大規模シミュレーションを使ったプロセスである、気候変動を支援するための科学支援のボリュームが今年増加している。

例えばHPCwireのTiffany Traderが9月に”Climate Time Machine“という記事で書いたように、新聞の天気欄から抜き出したものや、陸地および海上の最初の時代からさらに現代的な計測データを含んだ1871年から現在までの非常にグローバルな気象イベントのデータベースに頼っている。トップの気候科学者のチームは、仮想気候タイムマシーンを創るためにそのデータを、NERSCやテネシーのオークリッジリーダーシップコンピューティング施設を含む強力なスーパーコンピュータに食わせた。NERSCのスーパーコンピュータ資源のかなりの部分(12%)がグローバル気候変動研究に割り当てられている。これはおおよそ1億5千万プロセッサ時間であり、人類の未来にとってクリティカルな問題にフォーカスした高度にチューニングされた演算である。

気候変動データに取り組む新しいシステムが出現した。例えば、バークレー研究所の”Green Flash“は、さらに詳細な気候モデルを行うための方法を展示するために特別に設計されたスーパーコンピュータだ。このシステムは、iPhoneで使われているようなカスタム化されたTensilicaベースのプロセッサおよびデータの移動を抑えるための通信最小化アルゴリズムが使われており、膨大な電気を使わなくても、これまで以上に高解像度で地球上の雲の動きをモデル化することができるのだ。

今年、NCSAのBlue Watersのような巨大スケールシステムがペンシルベニア州のエンジニアを含む研究チームによってグローバル降雨の解明に利用された。このチームは世界の大部分の降雨データの大きなギャップの問題に取り組むためにBlue Watersを利用した。このゴールは科学者や研究者のグローバル水サイクル観測の統合化を目指している。

他にもGISを含む新しく、拡張されたデータソースを使った発展があった。先進サテライトと新興のセンサー技術により、気候変動における他の側面に対する研究を支援することができた。NCARがリードしている他への大気汚染を予測するプロジェクトによって、グローバルな気候変動の図が急速に埋められている。

製造業と重工業

製造業は2013年の政治的美辞麗句として、ベンダーと研究前線の両方において注目すべき投資のターゲットであり、従来の製造業ジョブにおける変化であり、新しい製造業の未来と新しい技術を支援するSTEMベースの教育の必要性だ。

産業の進展における中心では、さらなる自動化、効率化およびデータ駆動型発展への不変の行進である。誰かが想像しるかもしれないが、これはHPCのモデル化とシミュレーションの重要な機会を提供しているではないだろうか？材料科学、製造プロセスや他のエリアにおけるスーパーコンピュータによる技術革新とは言っていない。

オハイオスーパーコンピュータセンターを含むいくつかの施設では2013年に産業にHPCを利用させる手助けを行ってい、この新しい努力はローレンスリバモア国立研究所(LLNL)などに急に現れてきた。例えば今年、選ばれた産業界のユーザが、390,000コアで5ペタフロップスのVulcanを打ち破った。このシステムと調整用の商用アプリケーションの新ホストと共に、LLNLはさらに必要な多くのソフトウェアとスケール化支援を提供している。研究所は2013年にラインアップされた参加者を使って、特定のスケーラビリティの問題を解きつつ、さらなる計算能力がモデル化とシミュレーションの限界をいかに押し上げるか見るために、高コアに路線に上ってきている。

7月には、最新の低コストカーボンファイバーの試験に関心がある企業達が、エネルギー省のカーボンファイバーテクノロジー施設とパートナーを結ぶ新しい機会を得た。オークリッジ国立研究所によってエネルギー省のクリーンエネルギー製造イニシアティブの一部として運用されているこのCFTFは、今年早くに開設され、カーボンファイバー製造コストの低コスト化と、強力で軽量な材料の広範囲な利用を刺激することをプライベートセクターと一緒に行う方法を模索するために作られた。

今年、いくつかの興味深いプロジェクトにおいて研究が現実のものとなった。例えば、DOEのローレンスバークレイ国立研究所の科学者と数学者のチームは、乗り物や機械の設置面積を抑えることができるクリーンな燃焼技術を創る高度なアルゴリズムと一緒に、強力に処理能力の高いコンピュータを利用した。クリーンな製造業の未来へのもう一つの追加として、科学者は未進化の甲殻類動物の習性を潜在的に有益に処理した。「キクイムシ」生物はその塩分のある状態でも木材を消化できるというユニークな能力で、生物燃料産業のレーダーに掛かった。現在、アメリカとイギリスの研究者等が、将来のより良い産業用酵素を開発する鍵を握るものとして、キクイムシの消化器官における酵素の働きをモデル化するのにテネシー大学のKrakenを利用している。

産業に関連するもうひとつの注目すべきストーリーはオークリッジ国立研究所よりやってきた。そこでは、研究者等は、産業のサプライチェーンと製品配送のバックボーンとなっている大型輸送トレーラートラックの重要性に注目した。ほとんどのトラックは1ガロンあたり6マイル程度しかでなく、毎年総計で4億2千3百万ポンドのCO2を排出しているのだ。南カリフォルニアにあるBMI社はオークリッジ国立研究所(ORNL)の研究者等と組んで、「1セットの統合された空力流線形で18輪(Class 8)の長距離トラックの空力を改善する」、SmartTruck UnderTray Systemを開発している。
これを搭載すると、典型的なトラックで7から12パーセントの燃料を節約することができ、これは年間では5,000ドルの燃料コスト削減となる。

石油、ガス、再生可能エネルギー

石油とガスのスーパーコンピュータにおいては、メジャーな企業の多くが既存システムを増強したり、新しいセンターを開設したり、TOP500の上位ランクに入るための方策を探している。

10月にBPはテキサス州ヒューストンに新しい施設の開設することを公表した。この施設は「世界最大の商業研究用スーパーコンピュータ」として設計されている。ハイパフォーマンスコンピューティング用のセンターはBPの1億ドルに上るコンピュータへの投資の5カ年計画の一環だ。

今年我々がレポートしたように、BPの最新スーパーコンピュータはHPとIntelで構築されており、この新スーパーコンピュータはBPの前のシステムのほぼ2倍の計算能力を持っている。また、新スーパーコンピュータは1,000テラバイトの総メモりと23.5ペタバイトのディスク容量を持っている。(ラップトップコンピュータの40,000台以上に匹敵)

この12月に我々HPCwireはBPがこれまでのCPU-only戦略からFLOPs戦略を取り入れる計画であることを学んだ。新しいシステムは約67,000個のCPUを搭載しているが、GPUやPhiは搭載していない。BPのHPCセンターのマネージャであるKeith GrayがHPCwireに語ったところによると、イギリスではヘテロ・コンピューティングの採用はまだ用意ができていないとのことだ。「我々はアクセラレータの試験は継続しています。」とメールで語った。「しかし、いまだ私達の完全なアプリケーションにおいては強力なビジネスが形成されていません。」

また石油ガスに関する今年のニュースでは、ICE X HPCシステムを改良したSGIの新しいシステムがフランスの巨大ガス企業であるTotalに納入された。約7千8百万ドルのICE Xベースのシステムは2.3ペタフロップスの性能で、少なくとも理論最大性能の計算では、現在のTOP500リストの9位くらいにランクされるシステムだ。SGIは今年の商用システムにおけるトップの座をとる意向であり、その110,592個のXeon E5-2670コアと分散メモリシステムに分離された442TBのメモリによる予測される性能の仮定において、それはリーゾナブルな予測だ。

前面の仕様によると、SGIは7PBのストレージからなるデータ管理能力を指摘している。このストレージは純正InfiniteStorageディスクアレイ(17,000台からなる)と、Lustreで構成された仮想DMF階層化ストレージから構成されている。

サンディア国立研究所と共同で、ゼネラルエレクトロリックの技術開発部門であるGEグローバル研究所は、未来の風力タービン・ブレイドの設計に大きな影響を及ぼす研究を発表した。複雑な計算を高性能計算(HPC)の力を利用して、GEのエンジニアは以前の設計の制約を克服し、低ノイズで多くの力を産み出す再設計された風力ブレードの設計の道筋を発見し始めることができるようになった。

5月に遡って、コロラド鉱山学校は「BlueM」と名付けられた新しい155テラフロップスのスーパーコンピュータを明らかにした。このシステムは、強力なハイブリッド・システムを使ってアルゴリズム開発の最前線で運用する一方、
研究者が大学の中心的な研究の支援する大規模シミュレーションの実行を可能とする。このシステムは国立大気研究センター(NCAR)に、2機関の新しい主要な共同研究として設置される。

地震、竜巻、自然災害

毎秒213兆の演算によって、NOAA全国気象サービスの新しくアップグレードされたスーパーコンピュータは現在、精巧なコンピュータモデルを処理する2倍以上の性能を持ち、さらに正確な予報を時間内に提供している。バージニア州Restonの.「Tide」と名付けられたスーパーコンピュータと、オーランドにあるバックアップである「Gyre」は213テラフロップスで運用されている。(以前は90 TFのコンピュータだった)　この高処理性能によって、全国気象サービスはハリケーン気象研究と予報(HWRF)モデルを拡張することが可能となった。

UKの全国気象サービスであるMETオフィスは、世界中のサイトから1千万を超える気象観測情報を得ている。洗練された大気モデルと3千万ドルのIBMスーパーコンピュータによって毎日3,000の仕立てられた予報が行われている。気候科学者は月曜日のSt.Jude台風の大きさと経路を台風になるまでの4日間予測することができたのだ。

オクラホマ大学の助教授であAmy McGovernは竜巻と嵐の予測に革命をもたらそうとしている。McGovernの野望に溢れるたつ竜巻のモデル化とシミュレーション・プロジェクトは、何故竜巻を起こす嵐と起こさない嵐があるのか説明しようとしている。この研究は空間と時間の両方を通して、竜巻が起きそうな経路を見いだすための新しい技術を産み出すだろう。

5月20日にオクラホマを襲った壊滅的なEF5竜巻はいくつかの点でユニークだった。未曾有の竜巻の勢力だけでなく、予報者は36分前に竜巻警報を出すことができ、人命を救うことができた。我々のAlex Woodieがレポートしたように、その予報の一部を担ったのはNational Institute for Computational Sciences (NICS)にあるCrayスーパーコンピュータだった。12,000個のIntel Sandy Bridgeのコアと250テラフロップスの最大性能を持ったDarterは、詳細なStorm-scale Ensemble Forecasts (SSEF)を計算するために利用された。それにより、オクラホマ州ノーマンにある国立気象サービス事務所のような地域の気象予報者達が竜巻とその他の厳しい気象イベントを予測し、5月20日に36分の人命救助となる警報を発令したのだ。

国防核不拡散研究開発の国家核安全保障局によるスポンサーの下で、サンディア国立研究所とロスアラモス国立研究所は共同でSALSA3DまたはSandia-Los Alamos 3Dと呼ばれる地球のマントルと地殻の3次元モデルを開発している。このモデルの目的は、米国空軍とオーストリアのウィーンにある包括的核実験禁止条約機関(CTBTO)を支援することにあり、もっと正確に言うとすべてのタイプの爆発を特定することにある。

6月に戻って、テクニカル・コンピューティングとビッグデータのリーダーであるSGIは、NVIDIA Tesla GPUを搭載したSGIラッカブルサーバをプリンストン大学の地球科学部門に次世代の地震研究のために納品したことを発表した。この研究部門では、5個のオープンソースのソフトウェア・パッケージを使い、地震波の伝搬を地域および広域にシミュレートするSPECFEM3D「Sasame」アプリケーションでNVIDIA GPUを利用する。

軍と防衛

2013年に行われたNSAの努力によるシステムやソフトウェア革新のすべてを想像するのは難しいが、NSAや他の出版物に対する大量監視についての議論は残しておくこととする。この話題が今年のメインストリームの話題として惹きつける一方、ヘッドラインとしては失われた国家安全保障と防衛のためのいくつかの注目すべき進展がある。

地理空間情報データの収集方法はさらに複雑になってきている。それゆえに、生成されるデータの量と質は軍と防衛目的において政府が活用する新たな機会を広げている。GPUの巨人であるNVIDIAは、地理空間情報のコミュニティに今年、GeoIntアクセラレータを持ったプラットフォームを提供することで、この成長する分野にたどり着いた。このパッケージされた提案の目標は、GPUのスピードアップの利点を主にとっているコミュニティの特化した開発者と同じように地理空間情報のアナリストにツールセットを提供することにある。

このコミュニティに関連するいくつものキーアプリケーションを提供するのに加えて(状況認識、衛星画像と対象検知ソフトウェア)、GPUで高速化されたアプリケーションを構築するために利用する関連するいくつものライブラリを防衛契約者およびインテグレータのために一緒に引き出した。その中には独自の性能基本要素、MATLABイメージツールキット、CUDA FFT、Accelereys、ArrayFireおよび他の内容が含まれる。

軍と防衛のデータの先端を取るセンターもまた成長している。例えば、空軍スーパーコンピューティング・リソース研究センター(DSRC)では、Spiritと呼ばれる新しいSGI ICE Xシステムをスーパーコンピュータに新しく増設した。このシステムはオハイオ州Daytonにあるライト・パターソン空軍基地に設置される。このTOP20位レベルのシステムは、1.4ペタフロップスの性能で様々な研究、開発、試験および評価プロジェクト、特に航空機と船舶の設計を支援する予定だ。Spiritは4,608ノード、2.6GHzで動作する73,728個のXeonコア、さらに146テラバイトの主記憶と4.6ペタバイトのディスクを搭載している。

米国陸軍研究所(ARL)は2013年に新しいスーパーコンピューティングセンターを公表した。このセンターは事前にサービスの戦争戦闘能力が設定されている。2つのHPCシステムは、世界最初の汎用電子計算機であるENIACの地であるAberdeen Proving GroundsのARLスーパーコンピュータセンターにインストールされた。ARLスーパーコンピューティングセンターの2台のiDataPlexシステムが1946年当時に弾道計算のために陸軍が導入したENIACより限りなく処理能力が高いとは言っていない。だが、新しい陸軍のスーパーコンピュータは1秒間に数兆回の浮動小数点演算、または数テラフロップスの能力がある。ENIACの場合には1秒間に数百だった。

Alex Woodieがレポートしたように、「陸軍の科学者およびエンジニアは兵士および戦闘用車両関連の様々な材料を実際に製造する前にモデル化および評価することに、このスーパーコンピュータを利用します。これにより、モデル化を通して高く確約された製品についてのみ実際に物理的な試験を行うことに時間と経費を投資することにより、製品開発を加速させるのです。」

金融市場

年間を通してウォールストリートで起きることや、ニュース等で知るHPCに触れる度に、HPC技術を導入する大きな商用改革者の中でも金融サービスが最初にHPCを導入する市場のひとつであることを知らされた。

もちろん、これはコンピュータが常に立派な同盟市場であるべきことを意味している訳ではない。2013年に起こったことを思い起こせば、信頼性の将来が今後どのように見えるか推測することにつながったのだ。

機械の「手」に完全な信頼を置くことについての多くの議論にも関わらず、この市場ではいくつかの印象的な技術開発が今年あった。例えば、ロンドンに本拠を置く銀行HSBCは、ポートフォリオ価格決定プロセスをIntel XeonプロセッサからNVIDIA Tesla GPUに移動させることにより数百万ドルの計算機コストを削減できる可能性があると実証したと、CUDAプログラミングツールを提供してこの実験を支援した企業であるXceleritが報告している。

4月にXceleritは、HSBCの定量的リスクおよび評価グループ(QRVG)によって行なわれた有望な実験について報告した。それは2012年に資産の中で2兆6000億ドル以上を報告している。QRVGは、バーゼルIII必要条件につき、HSBC全体のポートフォリオについてリスク影響度を計算するためのCredit value Adjustment(CVA)プロセスを毎晩実行する責任を持っている。

我々は金融サービスと新年の話題にしているが、ウォール街のイベントにおける2014年のHPCのために何が調理されているか見るようにしよう。

2014年を見据えて

我々は来年のサマリーでもこれらと同じ一般的な分野を見ると期待しているが、パフォーマンス、機能、およびプログラマビリティがうまくいけば、より洞察につながる改善が期待できる。これらのより広範な業界や研究のセグメントの他にも、我々は金型に適合しないより多くの興味深いトピックを提供することを楽しみにしてる。（GPUと飛ぶヘビや、恐竜の最初ステップを追跡するの謎のような今年のお話のように）