地震シミュレーションがペタスケールに到達

Tiffany Trader

ドイツの研究者達が大規模シミュレーションのゴールポストを押し戻している。ライプニッツスーパーコンピューティングセンター(LRZ)のIBM “SuperMUC”スーパーコンピュータを使って、計算科学者、数学者および地球物理学者の学際的なチームが、地震シミュレーションを1ペタフロップス以上にスケールさせることに成功した。すなわち毎秒1兆回の浮動小数点演算である。

ミュンヘン工科大学(TUM)およびミュンヘン・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学(LMU)からの参加者を含む共同研究は、バイエルン科学・人文科学アカデミーのライプニッツスーパーコンピューティングセンターとの共同作業によるものだ。

この努力は、SeisSol地震シミュレーション・コードを10万コア以上で1ペタフロップス以上の計算能力を活用するように再武装させることに依存していた。このポピュラーなシミュレーション・ソフトウェアは地球表面下の破壊過程と地震波の研究に使われている。この地球物理プロジェクトの目標は、可能な限り正確に地震をシミュレートし、改善された予測成果への道を切り開くことだ。プロジェクトは制限要因に直面していた。しかし、演算要素は世界最高速のひとつである3ペタフロップスのSuperMUCのようなリーダーシップ・クラスのシステムに対して挑戦していた。

この障壁を乗り越えるために、LMUの地球環境科学部のChristian Pelties博士は、TMUの情報学部のMichael Bader教授とチームを組んだ。この2人はワークグループを編成し、SeisSolプログラムを最適化し、”SuperMUC”のパラレル・アーキテクチャ用にチューニングを行うことに焦点を絞った。結果は印象的で、5倍高速化し、SuperMUCの新記録を作ったのだ。

仮想実験では、このチームはジャワ島に位置している、幾何学的に複雑なメラピ火山内部の振動をシミュレートした。スーパーコンピュータは毎秒1.09兆回の浮動小数点演算で問題を噛み砕いていった。そしてこれは一時的なピークでは無かった、SeisSolは3時間のシミュレーション実行中、すべてのSuperMUCの147,456個の”Sandy Bridge”プロセッサコアを取り入れて、この高性能レベルをずっと維持していた。

LRZの公式ニュースリリースでは、70,000行のSeisSolコードの大規模な最適化と完全な並列化のみが1.42ペタフロップスのピーク性能を可能にしたと主張している。これはSuperMUCの理論有効能力(3.185ペタフロップス)の44.5パーセントにあたり、「SeisSolを世界中でこの種のシミュレーションプログラムでは最も効率の良いものとした」と研究所は語っている。

「現在達成可能な非常に高い性能のおかげで、5倍多くのモデルを実行したり、はるかにさらに正確な結果を得るために5倍大きなモデルを実行できるのです。」とプロジェクトを率いるChristian Pelties博士は見ている。「これによって、地震の多くの基本的な仕組みをより理解できるようになり、うまくいけば、将来の出来事により準備できるようになります。」

「シミュレーション・ソフトウェアを5倍高速化することは地球物理学研究者にとって重要なステップであるだけでなく、」と共同リーダーのTUM情報科学学部のMichael Bader教授は指摘し、「同時に、多様な地球科学アプリケーション用のそれぞれのシミュレーションを日常的にホストする、次世代のスーパーコンピュータのための応用方法論とソフトウェアパッケージを準備しているのです。」

研究者たちはメータースケールでの破壊過程だけでなく、数百キロメーターでの地震波の伝搬をシミュレートするために、プロジェクトを拡張する計画だ。この研究は、頻繁な損傷や、さらには致命的な自然の力に人間がより良く備える支援をできる可能性を秘めている。

2012年のデビュー当時に世界第4位だったSuperMUCは、Intel Xeonプロセッサを搭載したIBM System X iDataPlexサーバで、2.897ペタフロップスのLINPACK性能を持っている。これはIBMが開発したAquasarと呼ばれる、革新的な”warm-water”クーリングシステムを採用している。このシステムは現在、TOP500リストの10位にあり、LRZは2015年に性能を倍増させる予定だ。

アメリカのSequoiaスーパーコンピュータ(20ペタフロップスのピーク能力を持つ)は、持続的なペタスケール・アプリケーションの草分けであるが、
エクサスケールのタイムラインに合わせる場合、このスケールのレベルは不可欠である。この地震シミュレーション・プロジェクトはこの6月ドイツ、ライプチヒで行われるInternational Supercomputing Conferenceでハイライトされる。セッションのタイトルは「Sustained Petascale Performance of Seismic Simulation with SeisSol on SuperMUC」である。