HPC とは、High Performance Computing の略で、大量のデータに対して複雑な演算処理を高速に実行するコンピューターの利用技術です。高速演算なプロセッサと、大容量のメモリ及びストレージ、高速なネットワークデバイスを特徴とする計算機システム全体をさします。
HPC のパラダイムは多数のプロセッサーが実装されたスーパーコンピューター
HPC のパラダイムは、何百万ものプロセッサーまたはプロセッサー・コアが取り入れられたスーパーコンピューターです。スーパーコンピューターは、科学技術計算、シミュレーション、データ解析などの分野で広く使用されており、その性能は、従来のコンピューターとは比べものになりません。
HPC の性能は、プロセッサーの数、コア数、メモリ容量、ストレージ容量、ネットワーク帯域幅などによって決まります。プロセッサーの数が多いほど、並列処理が可能になり、計算速度が向上します。コア数が多いほど、1つのプロセッサーで複数の処理を並列に実行でき、計算速度が向上します。メモリ容量が大きいほど、多くのデータを一度に処理でき、計算速度が向上します。ストレージ容量が大きいほど、より多くのデータを保存でき、計算速度が向上します。ネットワーク帯域幅が広いほど、データの転送速度が向上し、計算速度が向上します。
HPC は、高価なシステムですが、その性能は、従来のコンピューターとは比べものにならないほどです。HPC は、科学技術計算、シミュレーション、データ解析などの分野で広く使用されており、その性能は、新しい発見や開発に貢献しています。
科学技術計算や社会課題解決のためのシミュレーションなどに利用されるHPC
科学技術計算
HPCは、科学技術計算に広く使用されています。例えば、天気予報、気候変動の研究、新薬開発、原子力発電などの分野で、HPC が使用されています。
社会課題解決のためのシミュレーション
HPCは、社会課題解決のためのシミュレーションにも使用されています。例えば、交通渋滞の解消、都市計画、環境問題の解決などの分野で、HPC が使用されています。
大規模データ解析
金融市場の分析、気象データの分析、医療画像の分析などの分野で、HPC が使用されています。HPC は、従来のコンピューターとは比べものにならないほどの処理能力を持っているため、大量のデータを高速に解析することができます。このため、HPC は、データ解析の分野で欠かせない存在となっています。
今後も、HPC の性能は向上していくと予想されます。より高性能な HPC が開発されることで、より複雑なデータ解析が可能になり、新しい発見や開発が加速することが期待されます。
日本のスーパーコンピューターの歴史
日本のスーパーコンピューターの歴史は、1960年代に始まりました。その後、日本のスーパーコンピューターは、1970年代、1980年代、1990年代と、着実に性能を向上させていきます。1977年には、富士通と航空宇宙技術研究所（NAL）が共同開発したFACOM 230-75APUが日本初のスーパーコンピューターになりました。1997年には、NECが開発して海洋研究開発機構(JAMSTEC)に導入された「地球シミュレーター」が、世界最速のスーパーコンピューターとなりました。地球シミュレーターは、気候変動や地球環境の研究に活用されました。
2011年には、富士通が開発して理化学研究所に導入された「京」が、世界最速のスーパーコンピューターとなりました。京は、10ペタフロップスという、当時の最高性能を誇りました。京は、新薬開発や原子力発電などの分野で活用されました。
2020年6月には、富士通が開発した「富岳」が、世界最速のスーパーコンピューターとなりました。富岳は、442.01ペタフロップスという、世界最高の性能を誇ります。富岳は、新型コロナウイルス感染症の研究や、新しい材料の開発などの分野で活用されています。
日本のスーパーコンピューターは、世界をリードする技術力を誇っています。今後も、日本のスーパーコンピューターは、さまざまな分野で活用され、日本の社会や産業の発展に貢献していくことが期待されます。
HPC のワークロードは、人工知能（AI）やデータ分析などにも拡大
AIは、機械学習や深層学習などの技術を用いて、人間が行うような知的な作業を自動化することができます。AIは、画像認識、自然言語処理、音声認識など、さまざまな分野で活用されています。データ分析は、膨大な量のデータを解析し、そこから新しい知見を得ることができます。データ分析は、マーケティング、金融、医療など、さまざまな分野で活用されています。
HPC は、AIやデータ分析などのワークロードを実行するために必要な計算能力を提供します。HPCは、AIやデータ分析の研究開発や、AIやデータ分析を活用した製品やサービスの開発に欠かせません。
HPC の技術的な仕組み
- 複数のコンピューター・サーバーまたはプロセッサーで複数のタスクを同時に実行されます。
- HPC クラスターと呼ばれるコンピューター・サーバーの集合体は、ネットワーク化された複数の高速コンピューター・サーバーで構成され、並列コンピューティングのワークロードを管理する一元化されたスケジューラーを備えています。
- HPC クラスター内のコンピューターでは、高性能なマルチコアCPUやGPUが使用されます。
- HPC クラスター内のその他すべてのコンピューティング・リソース（ネットワーキング、メモリー、ストレージ、ファイル・システム）は、高速、高スループット、低遅延のコンポーネントであり、クラスターのコンピューティング能力とパフォーマンスが最適化されます。
現代のHPCの利用用途やアプリケーション
医療、ゲノミクス、ライフサイエンス
HPC は、DNA配列、創薬と薬物設計、迅速ながん診断、分子モデリングなどに使われています。
DNA配列
HPC は、DNA配列の解読や分析に使用されています。DNA配列は、人間の遺伝情報のすべてが含まれています。HPCは、大量のDNA配列データを高速かつ効率的に解読し、分析することができます。これにより、遺伝疾患の原因を解明したり、新しい薬を開発したりすることができます。
創薬と薬物設計
HPC は、創薬と薬物設計に使用されています。創薬とは、新しい薬を開発することです。薬物設計とは、新しい薬の構造を設計することです。HPC は、膨大な量の化学データと生物学的データを高速かつ効率的に処理することができます。これにより、新しい薬を開発したり、既存の薬を改良したりすることができます。
医療診断
HPC は、医療診断に使用されています。HPC は、CTスキャンやMRIなどの画像データを高速かつ効率的に処理することができます。これにより、がん等の疾患の早期発見と治療を可能にすることができます。
分子モデリング
HPC は、分子モデリングに使用されています。分子モデリングとは、分子の構造と性質をコンピュータ上でシミュレーションすることです。HPCは、分子モデリングを高速かつ効率的に実行することができます。これにより、新しい材料や薬の開発に役立てることができます。
HPC は、これらの分野以外にも、気象予報、宇宙開発、金融工学など、さまざまな分野で使用されています。HPCは、私たちの生活をより豊かにする可能性を秘めた技術です。
金融
HPCは、自動取引と不正検知、モンテカルロ・シミュレーションやその他のリスク分析手法のアプリケーションを強化します。
自動取引
自動取引とは、コンピュータシステムが人間の介入なしに株式や債券などの金融商品を売買することです。HPC は、大量のデータを高速かつ効率的に処理できるため、自動取引システムを強化することができます。これにより、より効率的な取引や、より高い利回りの獲得が可能になります。
不正検知
不正検知とは、金融システムにおける不正行為を検出することです。HPC は、大量のデータを高速かつ効率的に処理できるため、不正検知システムを強化することができます。これにより、より効率的な不正検知や、より高い不正検知率の実現が可能になります。
モンテカルロ・シミュレーション
モンテカルロ・シミュレーションとは、確率論的な手法を用いて、複雑なシステムの挙動をシミュレーションすることです。HPC は、大量のデータを高速かつ効率的に処理できるため、モンテカルロ・シミュレーションを強化することができます。これにより、より正確なシミュレーションや、より効率的なシミュレーションの実行が可能になります。
その他のリスク分析手法
HPC は、その他のリスク分析手法も強化することができます。たとえば、HPC は、金融システムのリスクを分析するために使用できる数理金融モデルの開発に使用できます。また、HPC は、自然災害やその他のリスクの発生をシミュレーションするために使用できます。
HPC は、金融システムの効率化やリスク管理に役立つ技術です。HPC の活用により、金融システムの安全性と信頼性が向上し、より良い投資機会が提供される可能性があります。
気象
HPC は、気象予報と気候モデリングなどに使われています。
気象予報
気象予報とは、将来の天気を予測することです。HPC は、気象モデルを高速かつ効率的に実行できるため、気象予報の精度を向上させることができます。これにより、より正確な天気予報や、より早い天気予報が可能になります。
気候モデリング
気候モデリングとは、地球の気候をシミュレーションすることです。HPC は、気候モデルを高速かつ効率的に実行できるため、気候変動の予測や、気候変動の影響を評価することができます。これにより、気候変動対策の開発や、気候変動の被害を軽減することができます。
HPCは、気象予報と気候モデリングに欠かせない技術です。HPCの活用により、気象予報の精度が向上し、気候変動の予測や評価ができるようになり、気候変動対策の開発や、気候変動の被害を軽減することができます。
人工知能（AI)
HPC は、画像解析や自然言語処理などのディープラーニング・アプリケーションに使われています。
画像解析
画像解析とは、画像から情報を抽出することです。HPC は、大量の画像データを高速かつ効率的に処理できるため、画像解析を強化することができます。これにより、画像からより多くの情報を抽出したり、より正確な画像解析が可能になります。
自然言語処理
自然言語処理とは、人間の言語を理解し、処理することです。HPCは、大量のテキストデータを高速かつ効率的に処理できるため、自然言語処理を強化することができます。これにより、テキストからより多くの情報を抽出したり、より正確な自然言語処理が可能になります。
画像解析や自然言語処理は、さまざまな分野で活用されています。たとえば、画像解析は、医療分野で、病気を早期発見したり、治療方法を検討したりするために使用されています。また、自然言語処理は、金融分野で、株式市場の予測や、顧客の行動を分析するために使用されています。
HPC の活用により、画像解析や自然言語処理の精度が向上し、より多くの分野で活用されるようになることが期待されます。
HPC の将来
HPCは、科学技術や産業の発展にとって、大きなチャンスと課題をもたらしています。
- AIやデータ分析など、新しいワークロードへの適用範囲の拡大
- クラウドやハイブリッドなど、柔軟でコスト効率の高いデプロイメントモデルの普及
- スーパーコンピュータや量子コンピュータなど、高性能なコンピューティング方式の進化
- 社会課題解決やイノベーション促進に貢献するシミュレーションや分析の実現
HPCの課題としては、以下の点が挙げられます。
- CPUやGPU、FPGAなど、異なるチップセットやフレームワークの共存や最適化
- 人材不足や教育・普及活動の必要性
HPCは、これからもさまざまな業界や分野で重要な役割を果たすと考えられます。そのためには、HPCとAIやデータ分析のコンバージェンスを促進するプラットフォームやソリューションが必要です。また、HPCに関する知識や技術を広めるために、教育や啓発活動も重要です。
HPCの将来は、私たちの生活をより豊かにする可能性を秘めています。HPCの活用により、より複雑な問題を解決したり、より新しい製品やサービスを開発したりすることが可能になると考えられます。
