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富士山のように裾野が広く、みんなが使えるスパコン「バーチャル富岳」
2023年8月25日 09:43
理化学研究所 計算科学研究センター(R-CCS)の松岡聡センター長は、「バーチャル富岳」の取り組みについて説明した。8月24日に都内で開催された「教育と研究のDXフォーラム」(主催・教育新聞ブランドスタジオ)の基調講演で言及。その後、約1時間に渡り、報道関係者の質問に答えた。
バーチャル富岳は、スーパーコンピュータ「富岳」のソフトウェアやアプリケーションの成果を、商業クラウド上でも直接利用できる環境を整え、「クラウドの富岳化」を図ることを目指している。
2022年12月に、アマゾン ウェブ サービス(AWS)との提携を発表。富岳で用いているArmアーキテクチャベースの「A64FX」CPUと互換性を持つ「AWS Graviton3」CPUを用いたクラウドサービスを通じて、AWS上で、富岳のアプリケーションをほぼそのまま効率的に実行できるようになる。中には、富岳で動作させるよりも、AWSで稼働させたほうが高い性能を発揮したアプリケーションもあるという。
世界規模でのスパコンに関する会議が行なわれる2023年11月に詳細な内容を発表し、2023年度中に公開および利用できるようにする計画だ。富岳向けにチューニングされたさまざまなアプリケーションの動作検証も同時に進めていく。
富士山と同じように誰もがスパコンを利用できるようにするバーチャル富岳
松岡氏は基調講演の中で、「富岳の特徴は、特定のベンチマークだけが優れているのではなく、さまざまな領域で高い性能を誇っている点にある。また、アプリケーション性能では、京に対して、平均70倍の性能を発揮し、富岳が稼働した際には、富岳に最適化したアプリケーションが、すぐに使えるようにしていた。だからこそ、コロナ禍において飛沫シミュレーションを迅速に行なうことができ、昨今では線状降水帯の予測にも利用されている。きちんとオーケストレーションした形で稼働したスーパーコンピュータは富岳が初めてである」とした。
「富士山が、世界的に人気なのは、単に美しいだけではない。登山道が整備され、70歳の人でも登頂できるインフラが整っているからだ。山頂には自動販売機もあり、誰もが安心して、高い山に登ることができる。
富岳もこれと同じで、大規模で、高度な活用により社会課題を解決することが目的の1つではあるが、それだけの利用に頼っていては、新たなイノベーションは起きない。より多くの人たちに、富岳が使いやすい環境を提供することが大切である。科学技術計算だけの利用に留まらず、創薬やAIなどの新産業プロジェクトにも利用されたり、自社の課題を解決したりといった活用を通じて、大きな経済効果につながるポテンシャルがある。
さらに、スパコン初心者にも利用しやすい仕組みを提供したいと考えている。その役割を果たすのがバーチャル富岳になる」と位置づけた。
理化学研究所では、富岳にクラウド基盤としての機能やインターフェイスを追加する「富岳のクラウド化」ととともに、富岳のソフトウェアやアプリケーションの成果を商業クラウド上で直接利用できる環境を整える「クラウドの富岳化」に取り組んでおり、バーチャル富岳は後者にあたる。これは、世界的にも珍しい取り組みになる。
「富岳プロジェクトの成果は、ハードウェアだけでなく、その上で実現したArm for HPC用のシステムソフトやアプリケーションなどのシステムやソリューション全体に及ぶ。PCを購入した際に、さまざまなアプリケーションがインストールされ、すぐに使えるのと同様に、富岳にはさまざまなアプリケーションが用意され応用範囲が広い。これらのアプリケーションが、社会で広く活用されることを目指している。
だが、富岳を利用するには、審査が必要であり、人気が高いこともあり、半分から3分の2は審査に落ちている。バーチャル富岳では、クラウド上に仮想的に富岳のソフトウェア環境を構築でき、より多くの人がアプリケーションを含む各種ソフトウェアを利用できるようになる」とする。
バーチャル富岳は、クラウドでの提供のほか、ほかのスパコン上でも動作できるようにする考えも示している。なお、バーチャル富岳は、AWSによるサービスには限定せず、「今後、ほかのクラウドでも動かしたいという要望があれば考えていく。ArmアーキテクチャベースではないCPUでも対応できる」としている。
秘匿性の高い開発時や申請のハードルを引き下げる
バーチャル富岳では、3つのケースを想定している。
1つ目は、サテライト富岳としての使い方だ。とくに、企業などが、秘匿性の高い開発時に利用するケースが挙げられる。
「富岳を直接利用する場合には、公共なものであることと審査があるために、どんな用途で利用するのかを明確にする必要がある。そのため、創薬をはじめとして企業にとって秘匿したい部分も公開しなくてはならないという課題があった。だが、バーチャル富岳ではそうした課題を解決できるため、富岳ユーザーが、秘匿性のある部分だけ、制限がないバーチャル富岳を利用することができる」という。
2つ目は、富岳を使いたいが、利用するために申請しなくてはならないため、ハードルが高いという課題を解消できる点だ。プライベート富岳としての利用に位置づけられ、AWSのクラウドサービスを活用することで、富岳のアプリケーションを容易に利用できるようになる。裾野が広いユーザーが富岳環境をAWS上で試行し、ステップアップする形で、リアルの富岳に移行するという使い方も可能だ。
「富岳のアカウントがなくても、富岳のアプリケーションが利用でき、わずかなクリックで、プライベートで利用できる環境が整う」とし、「企業は製品開発などにおいても、必要なときに、バーチャル富岳を利用し、研究開発の成果を即時に製品開発に反映できるようになる。あたかも富岳で動かしたような成果が得られる」と述べた。
また、現在の富岳のルールでは、日本に拠点がない海外企業は利用できないが、バーチャル富岳であれば、海外企業が、富岳に最適化されたアプリケーションが自由に利用できるようになる。
この点について、松岡センター長は、「海外企業が、バーチャル富岳を利用するといったことは現実的な動きになるだろう。日本が、世界に対して、いかに貢献できるかが重要な時代になっており、その点でも貢献できる。日本がソフトウェア分野で世界的にリードしているのはゲーム以外にはない。ソフトウェアのエコシステムにおいて、バーチャル富岳が貢献できる可能性がある。海外企業に利用してもらうことはうれしいことである」とした。
スパコン環境の統一
3つ目は、スパコンの環境統一を実現でき、ユーザーの利便性を向上できる点だ。バーチャル富岳を利用することで、ユーザーは同じ操作環境での利用が可能になり、同じアプリケーションや同じノウハウを活用できる環境も整うことになる。
「かつてのスパコンは、メーカーによる囲い込みなどがあり、使い勝手はそれぞれに異なっていた。今はWindowsやiOSのように、OpenOnDemandなどの統一環境を学べば、どのスパコンも同じ使い勝手で利用できる。統一した環境であればマニュアルも書きやすい。富岳によって、国を挙げて、すばらしいスパコンの環境を作ることができた。バーチャル富岳が広がることにより、多くの人が統一された環境でスパコンを利用できるようになる」とした。
ソフトウェア開発者は、単一の整備されたソフトウェア環境のみを開発ターゲットとすることで、質の向上と開発工数の削減が可能になり、高度なサイエンスアプリケーションの普及につながると指摘。また、管理者にとっても、単一環境のサポートにより、迅速で、正確な対応と大幅な工数削減が可能になると述べた。
松岡氏、AWS Graviton3を高く評価
松岡氏は、バーチャル富岳で採用するAWS Graviton3を高く評価している。
分子動力学ソフトウェア「GENESIS」による創薬に関するシミュレーションのPoCでは、64ノードで動作させた場合、富岳が計算に要した時間が8,805秒であったのに対して、AWSのGravitonでは4,495秒で計算が完了するという結果が出たという。このときの富岳の計算資源料金は46万円に対して、AWSの計算資源料金は86万円だった。
「富岳に搭載しているA64FXはメモリ性能が高いが、バーチャル富岳で利用しているGraviton3は計算性能が高いという特徴がある。性能はアプリケーションによって異なるが、このPoCでは、富岳が48コア/ノード、AWSが64コア/ノードであったことを考慮しても、AWSの方が2倍速いという結果が出たことは評価できる。
計算資源料金はAWSの方が2倍弱と高いが、最大では1.数倍の差に留まるケースもある。富岳は有料で利用しても、実質的には電気代程度の負担であるため、もともとが低料金であること、AWSを利用することで、企業にとっては秘匿性が保たれること、審査を待たずにいつでも利用できることを考えると、バーチャル富岳を産業利用するメリットは大きく、現実的なサービスだといえる。Graviton3は、互換性、パフォーマンスでも能力を発揮する。バーチャル富岳は、大きな可能性を持ったサービスになる」と、そのメリットを強調した。
富岳における産業利用は、全リソースの15%となっており、基礎研究などにおいて企業が参加しているものを含めると68%に達している。
「バーチャル富岳においては、産業利用が中心になってくるだろう。だが、研究室での小規模利用なども想定される。研究分野でも、富岳が利用できない場合に、バーチャル富岳を利用することも見込まれる」と述べた。
さらに、「AWSでは、若者支援やベンチャー支援に力を入れており、利用支援プログラムを活用して、バーチャル富岳の計算資源を利用するといったことも想定される。意欲がある若者が、バーチャル富岳を通じてスパコンを活用するといった利用形態にも期待したい。こうした声にも応えられる環境を作りたい」と意欲をみせた。
一方、「拡張命令セットであるSVEをサポートしているのは、富岳に搭載しているA64FXだけだったが、新たなGraviton3では、SVEに対応している。富岳のアプリケーションはSVEによって高速化しているが、同様の成果がGraviton3でも生まれるかどうかを、これから検証していく必要がある。富岳向けにチューニングしているものが、Graviton3でも効果を発揮するかどうかは、これから検証してみないと分からない」とも述べている。
今後の取り組みとしては、既存の富岳のユーザー向けには、R-CCSがAWS上にGraviton 3/3eインスタンスを確保し、バーチャル富岳環境を構築し、富岳との比較テスト環境を提供するほか、一般ユーザー向けには、ユーザー自らが、AWS上に自らの富岳互換環境を構築するプライベート富岳を提供。それに向けて、AWS上の仮想クラスタ上にターンキーで構築できるユーティリティなどを提供するという。
また、富岳で利用するコンパイラやライブラリなどは、富士通独自のものとなっており、これらはAWS上では利用できないが、R-CCSでは、代替ソフトウェアを提供する予定だという。さらに、富岳で稼働しているGENESISなどの個別アプリケーションは、基本的にはバーチャル富岳でも提供されるが、これとは別にAWS環境で動作するバージョンが提供される場合もあるという。また、理研数理などの協力企業がソフトウェアの商用サポートを行なうことを検討していることも明らかにした。