スーパーコンピューティングとは?
スーパーコンピューティングは、大規模な複雑なデータ処理に大量の CPU リソースと高速ネットワークを使用するプロセスです。地球科学シミュレーションや DNA 分析などの特定のユースケースでは、短期間で数十億または数兆のデータポイントを同時に処理する必要があります。スーパーコンピューティングテクノロジーは、数百または数千ものノードを並行して使用して複雑な問題を一緒に解決する高性能コンピューティングの一形態です。スーパーコンピューティングノードは、通常のマシンでは実現できない速度で計算、交換、およびデータの統合を実行するハードウェアベースのアクセラレータで高度に最適化されています。
クラウドコンピューティングのメリットは何ですか?
スーパーコンピューターはリソースをプールして、1 秒間に数千兆回の浮動小数点演算を実行できます。組織はこの高性能スーパーコンピューティング技術を利用して、次のようなメリットを得ています。
市場投入までの時間の短縮
スーパーコンピューティングは、製薬、地熱研究、その他の数学分野などの業界における複雑な新製品のデジタルプロトタイピングをサポートし、効率を高め、市場投入までの時間を短縮します。並列処理を使用して、複雑な計算や物理シミュレーションを完了するのにかかる時間を大幅に短縮します。通常数週間かかる計算は、その時間のほんの一部で完了します。シミュレーションを加速することで、研究開発段階のスピードを上げることができます。
AI/ML を採用
人工知能 (AI) と機械学習 (ML) テクノロジーは、大量のデータを処理するために膨大な計算能力を必要とします。スーパーコンピューティングを使用すると、1 秒間に何兆ものデータポイントといった大量のデータ処理を処理して、膨大なデータセットに関する高度な洞察を得ることができます。スーパーコンピューティングは AI と ML を強化し、これらのテクノロジーを大規模に実行できるようにします。
ビッグデータ分析
スーパーコンピューティングは、通常の何分の一の時間で何兆ものデータポイントを分析できます。大量のデータセットを分析できるだけでなく、パターン認識、データ抽出、分析、およびその他のデータ分析操作を実行できます。スーパーコンピューティングは、金融、科学研究、医療など、何百万ものデータを同時に並列処理することが不可欠な業界で、ビッグデータ分析を合理化するのに役立ちます。
高速のパフォーマンス
一般的なスーパーコンピューターは、何千もの並列プロセッサーからリソースを IT ツールするため、従来のコンピューターよりもはるかに高速です。スーパーコンピューターは欠かせないツールです。その高いパフォーマンスは、コンピューター関連のあらゆるプロセスの速度を上げるのに役立ちます。
グリッドコンピューティングのユースケースとは?
スーパーコンピューティングには幅広い用途があります。すべてを網羅しているわけではありませんが、企業がスーパーコンピューティングをどのように使用しているかを示す例をいくつか紹介します。
計算流体力学
計算流体力学 (CFD) は、複雑な数学的モデリングを使用して、熱伝達、流体の動き、運動量、およびその他の関連プロセスを追跡するプロセスです。CFD は、スーパーコンピューターが得意とする包括的なシミュレーションを迅速に作成することに依存しています。たとえば、フォーミュラ 1 は計算流体力学技術を使用して自動車の空力特性をテストします。スーパーコンピューティングを使用すると、車両を設計する際にさまざまな詳細をシミュレートできるため、市場投入までの時間を短縮し、効率を高めることができます。
ゲノム研究
スーパーコンピューターの高度な処理能力は、非常に複雑なゲノムの構造、機能、マップを研究する場合に役に立ちます。スーパーコンピューターが提供する、毎秒千兆回の浮動小数点演算により、研究者は大規模にゲノム研究を行うことができます。実際の例として、国立医学図書館は強力なスーパーコンピューターを使用してシーケンスリードアーカイブ (SRA) を作成しています。SRA には 900 万件以上の実験から得られたシーケンス結果があり、バイオインフォマティクスはその内容を包括的に分析できます。
ゲーム
ゲームエンジニアは、ゲーマーがパケットのドロップ、混雑、フレームの損失なしにゲームにアクセスできるようにする必要があります。スーパーコンピューティングにより、デベロッパーはグラフィックスを強化し、物理をシミュレートし、現実的な設定をレンダリングできます。クラウドコンピューティングのマルチプロセッサは、データを処理し、ゲーマーやデベロッパーに高いパフォーマンスを提供するのに役立ちます。たとえば、NICE DCV は、リモートデスクトップとアプリケーションストリーミングをクラウド経由で任意のデバイスに配信します。このサポートにより、高価な専用ワークステーションが不要になります。これらのスーパーコンピューターを使用することで、デベロッパーはコストを最適化しながら高いパフォーマンスを実現できます。
医学研究
医学研究とは、新しい医薬品や化学物質の研究、開発、製造です。スーパーコンピューティングリソースは、研究者に何兆ものデータポイントを一度に調査するのに必要な処理能力を提供します。最新のスーパーコンピューターは、分子モデリングから人間の健康に役立つ新材料の製造まで、あらゆる分野で役立ちます。
Good Chemistry は、実際に使われているスーパーコンピューティングの一例です。この革新的な企業は、材料科学に関連する複雑な問題を解決することで、より持続可能な世界を創造することを目指しています。人間の健康に有害なプレフルオロアルキル物質とポリフルオロアルキル物質の化学結合を切断する新しい方法の開発をスーパーコンピューティングでシミュレートします。
スーパーコンピューターはどのように機能しますか?
スーパーコンピューティングは、接続されたネットワーク全体に分散したコンピューティングノードのクラスターを使用します。各ノードは同じタスクのサブセットを実行して、最終的な複雑な結果をまとめて計算します。高性能コンピューティングクラスターは、数百または数千ものコンピューティングノードで構成され、各ノードには約 8～128 個の CPU が搭載されています。次に、グリッドミドルウェアは、これらのコンピューティングリソースを、必要に応じて処理能力を要求する高レベルのアプリケーションに接続します。
ノード
ほとんどのスーパーコンピューターの機能を容易にするノードには、次の 3 つのタイプがあります。
ユーザーノード
ユーザーノードは、コンピューティンググリッドにリソースを要求します。エンドユーザーがこの要求を行うと、ミドルウェアを通過してグリッドコンピューティングシステム上のすべてのノードに通知します。
プロバイダーノード
プロバイダーノードは、計算グリッドにリソースを提供します。新しいリクエストを受け取ると、タスクの実行を開始します。多くのプロバイダーノードでは、毎秒の処理数が多い対称型マルチプロセッシングが可能です。ミドルウェアは結果を収集して返します。
制御ノード
コントロールノードは管理者として機能し、すべてのプロバイダーノードリソースの割り当てを管理します。ミドルウェアコミュニケーターはコントロールノード上で実行され、特定のプロバイダーにタスクを分散します。
スーパーコンピューティングシステムの構成要素とは?
スーパーコンピューティングシステムは、連携して高いパフォーマンスを実現する複数のコアコンポーネントで構成されています。以下は主なコンポーネントの説明です。
ネットワークインターフェイス
スーパーコンピューティングは、ノード間通信でアプリケーションを実行できるカスタムメイドのネットワークインターフェースを使用します。これらのインターフェイスは、インスタンス間通信のパフォーマンスを向上させ、ワークロードのスケーリングに役立ちます。これらのテクノロジーは、メッセージパッシングインターフェイス (MPI) と ML アプリケーションを組み合わせて使用し、オンデマンドで伸縮性を実現します。
リモートディスプレイプロトコル
スーパーコンピューターはリモートディスプレイプロトコルを使用しているため、顧客はデバイス上のデータセンターまたはクラウドのアプリケーションにアクセスできます。このプロトコルにより、負荷の大きいアプリケーションをリモートで実行し、ユーザーインターフェイスをよりシンプルなデバイスにストリーミングできます。このコンポーネントにより、高価な専用ワークステーションが不要になり、柔軟に導入できます。
クラスター管理ツール
クラスター管理ツールを使用すると、高性能コンピューティングクラスターを管理および展開できます。このツールには、グリッドネットワークに電力を供給するリソースにアクセスできるシンプルな GUI が含まれています。クラスター管理ツールを使用して、クエリの送信、並列処理の実行、およびリソースクラスターの効果的な管理を行うことができます。
総合的なインターフェース
統一されたインターフェースにより、クラウドネイティブサービスを並列クラスターと連携して使用できます。1 つのインターフェイスを使用して、スーパーコンピューターのネットワークまたはオンプレミスのインフラストラクチャにジョブを送信できます。統一されたインターフェイスにより、すべてのコンピューティングリソースを追跡し、アプリケーションのパフォーマンスを最大化できます。
冷却と電源管理
スーパーコンピューティングシステムは、強力な冷却システムを使用してエネルギー効率を高めます。これらのシステムは大量の計算能力を消費するため、過熱しないように冷却する必要があります。エネルギー効率の高いシステムは、少ないリソースで高いパフォーマンスを実現できます。
AWS はお客様のスーパーコンピューティング要件をどのようにサポートできますか?
AWS ハイパフォーマンスコンピューティングは、高速ネットワーキングと事実上無制限のインフラストラクチャを提供するため、複雑なシミュレーションやディープラーニングのワークロードをクラウドで実行できます。AWS では、より迅速な洞察、より高い計算能力、無限のスケーラビリティを実現する HPC 製品とサービスをすべて提供しています。以下に例を示します。
- Amazon EC2 UltraClusters を使用すると、数千の GPU や ML アクセラレータにスケールできるため、スーパーコンピューターをオンデマンドで使用できるようになります。
- NICE DCV は、包括的なセキュリティ、最適化されたコスト、およびリモートデスクトップへの柔軟な展開を備えた高性能リモートディスプレイプロトコルを提供します。
- AWS ParallelCluster はオープンソースのクラスター管理ツールとして機能し、リソースの自動スケーリング、クラウドへのシームレスな移行、および簡単なクラスターインフラストラクチャ管理を可能にします。
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