2021年世界スーパーコンピュータランキングTOP12：性能と特徴を徹底比較

私たちの多くにとって、8K動画や最新のFar Cryを60fpsで遅延なく再生できれば、コンピュータは十分高速に思えます。しかし、1秒間に数十億回の計算を必要とする複雑なタスクはたくさんあります — デスクトップのi9プロセッサでは不可能なことです。

そこがスーパーコンピュータの出番です。政府や組織が、従来のコンピュータでは解決できない問題を解くための高いレベルのパフォーマンスを提供します。

今日のスーパーコンピュータは、AI（人工知能）ワークロードを念頭に構築されています。天気予報、気候研究、物理シミュレーション、石油・ガス探査に加えて、スーパーコンピュータは科学者たちがより強靭な建材を発見し、人間のタンパク質と細胞システムを極めて詳細なレベルで研究するのを助けています。

通常、スーパーコンピュータの性能はFLOPS（毎秒浮動小数点演算回数）で測定されます。科学計算の分野では、FLOPSは秒間命令数を測定するよりも正確な指標です。

最初のスーパーコンピュータ — リバモア原子力研究コンピュータ — が1960年に米海軍研究開発センターのために構築されたことをご存知ですか。

それ以来どれだけ進歩したかを示すために、世界最速のスーパーコンピュータの詳細なリストを厳選しました。これらはすべてLinux上で動作する非分散コンピュータシステムです。

12位 Sequoia

速度: 17.1ペタFLOPS
コア数: 1,572,864

ベンダー: IBM
場所: ローレンスリバモア国立研究所、アメリカ合衆国

SequoiaはIBMのBlueGene/Qサーバーを使用して、理論上のピーク性能20ペタFLOPSを提供します。前身のKコンピュータより123%多くのコアを持ち、37%エネルギー効率が向上しています。

主に核兵器シミュレーションに使用されますが、気候変動やヒトゲノム解析など多くの科学的目的にも利用可能です。人間の心臓の電気生理学の3Dシミュレーションで優れたスケーラビリティを実証しています。

11位 PANGEA III

Credit: Total S.A.

速度: 17.8ペタFLOPS
コア数: 291,024

ベンダー: IBM
場所: フランス、ポーのCSTJF技術・科学研究センター

Pangea IIIはIBMのAI最適化ハイパフォーマンスアーキテクチャに依存しています。IBMとNVIDIAが協力して、業界唯一のCPU-to-GPU NVLink接続を構築し、従来のx86ベースシステムより5倍以上高速なメモリ帯域幅をIBM POWER9 CPUとNVIDIA Tesla V100 TensorコアGPU間で実現しています。

このアーキテクチャは計算性能を向上させるだけでなく、エネルギー効率も高めます。新システムは前身のPangea IとIIと比較して、ペタFLOPSあたりのエネルギー消費を10%未満に抑えています。

Pangea IIIは、探査・開発地震イメージング、開発・生産モデル、資産評価と選択性の3分野で特に応用があります。

10位 Lassen

速度: 18.2ペタFLOPS
コア数: 288,288

ベンダー: IBM
場所: ローレンスリバモア国立研究所、アメリカ合衆国

Lassenは非機密シミュレーションと分析のために指定されています。Sierra（第2位の最速スーパーコンピュータ）と同じ研究所に、同じビルディングコンポーネントを使用して設置されています。

Sierraは大規模システムですが、Lassenも独自に相当な規模です：まさに大きな兄弟の6分の1のサイズです。Lassenシステムは40ラックに収められていますが、Sierraは240ラックを占有します。

IBM Power9プロセッサと253テラバイトのメインメモリにより、Lassenは23ペタFLOPSのピーク性能を達成しています。

9位 SuperMUC-NG

速度: 19.4ペタFLOPS
コア数: 305,856

ベンダー: Lenovo
場所: ライプニッツスーパーコンピューティングセンター、ドイツ

SuperMUC-NGは、700テラバイト以上のメインメモリと70ペタバイトのディスクストレージを備えた6,400台のLenovo ThinkSystem SD650直接水冷コンピューティングノードを搭載しています。

大型4Kステレオスコピックパワーウォールと5面CAVE人工バーチャルリアリティ環境を含む強力な可視化システムに接続されています。

ゲノム解析、流体力学、量子色力学、生命科学、医学、天体物理学など、多くの分野のヨーロッパの科学者たちにサービスを提供しています。

8位 AI Bridging Cloud Infrastructure（ABCI）

Credit: ABCI

速度: 19.8ペタFLOPS
コア数: 391,680

ベンダー: 富士通
場所: 産業技術総合研究所、日本

これは世界初の大規模オープンAIコンピューティングインフラストラクチャで、32.577ペタFLOPSのピーク性能を提供します。合計1,088ノードを持ち、各ノードには2つのIntel Xeon Goldスケーラブルプロセッサ、4つのNVIDIA Tesla V100 GPU、2つのInfiniBand EDR HCA、1つのNVMe SSDが含まれます。

富士通は、従来のデータセンターの20倍の熱密度を達成し、温水と空気冷却により70kWラックの冷却能力を実現できると主張しています。

7位 Trinity

速度: 21.2ペタFLOPS
コア数: 979,072

ベンダー: Cray
場所: ロスアラモス国立研究所、アメリカ合衆国

Trinityは、NNSA核セキュリティ企業に並外れた計算能力を提供するために構築されました。核兵器シミュレーションコードの幾何学的および物理的忠実度を向上させ、核備蓄が安全、確実、効果的であることを保証することを目的としています。

スーパーコンピュータは2段階で開発されました：第1段階ではIntel Xeon Haswellプロセッサを採用し、第2段階ではIntel Xeon Phi Knights Landingプロセッサを使用して大幅な性能向上を実現しました。総ピーク性能は41ペタFLOPS以上を提供できます。

6位 Piz Daint

速度: 21.2ペタFLOPS
コア数: 387,872

ベンダー: Cray
場所: スイス国立スーパーコンピューティングセンター、スイス

スイスアルプスの山ピッツ・ダイントにちなんで名付けられたこのスーパーコンピュータは、Intel Xeon E5-26xxマイクロプロセッサとNVIDIA Tesla P100で動作します。

Piz DaintはDataWarpの「バーストバッファモード」を利用して、ストレージデバイスへの実効帯域幅を増加させます。これによりデータ入出力レートが加速し、数百万の小さな非構造化ファイルの分析が容易になります。

日常業務に加えて、大型ハドロン衝突型加速器での実験から収集されたデータなど、世界で最もデータ集約的なプロジェクトのデータ分析も処理できます。

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5位 Frontera

Fronteraサーバーの2列の間の眺め | Credit: TACC

速度: 23.5ペタFLOPS
コア数: 448,448

ベンダー: Dell EMC
場所: テキサス先端計算センター、アメリカ合衆国

Fronteraは、科学者たちが幅広い分野で多くの複雑な課題に取り組みやすくする広範な計算リソースを提供することで、エンジニアリングと研究に新たな可能性を開きます。

Fronteraは2つの計算サブシステムを備えています：第1は倍精度性能に焦点を当て、第2は単精度ストリームメモリ計算に焦点を当てています。また、クラウドインターフェースと仮想サーバーをホストするための複数のアプリケーションノードも備えています。

4位 Tianhe-2A

広州国家スーパーコンピュータセンターのTianhe-2

速度: 61.4ペタFLOPS
コア数: 4,981,760

ベンダー: NUDT
場所: 広州国家スーパーコンピューティングセンター、中国

16,000以上のコンピュータノードを持つTianhe-2Aは、世界最大のIntel Ivy BridgeとXeon Phiプロセッサの設置を表しています。各ノードに88ギガバイトのメモリがあり、総メモリ（CPU+コプロセッサ）は1,375テビバイトです。

中国はこのスーパーコンピュータの構築に24億人民元（約3億9000万米ドル）を費やしました。現在は主にシミュレーション、分析、政府セキュリティアプリケーションで使用されています。

3位 Sunway TaihuLight

速度: 93ペタFLOPS
コア数: 10,649,600

ベンダー: NRCPC
場所: 無錫国家スーパーコンピューティングセンター、中国

TaihuLightの計算能力は、計算処理要素と管理処理要素の両方を含む国産のマルチコアSW26010 CPUから来ています。

単一のSW26010は、260の処理要素（1つのCPUに統合）のおかげで3テラFLOPS以上のピーク性能を提供します。各計算処理要素には、ユーザー制御キャッシュとして機能するスクラッチパッドメモリがあり、ほとんどのアプリケーションでのメモリボトルネックを大幅に削減します。

生命科学と製薬研究に加えて、TaihuLightは10兆のデジタル粒子で宇宙をシミュレートするために使用されてきました。しかし、中国はさらに多くを達成しようとしています：2030年までにAIのリーダーになるという目標をすでに掲げています。

2位 Sierra

Image credit: Wikimedia

速度: 94.6ペタFLOPS
コア数: 1,572,480

ベンダー: IBM
場所: ローレンスリバモア国立研究所、アメリカ合衆国

Sierraは、前身のSequoiaに比べて最大6倍の持続性能と7倍のワークロード性能を提供します。2種類のプロセッサチップを組み合わせています：IBMのPower 9プロセッサとNVIDIAのVolta GPU。

Sierraは核兵器システムの性能評価のために特別に設計されています。核実験なしで核兵器の信頼性試験と維持を行う米国のストックパイル管理プログラムにおける予測アプリケーションに使用されます。

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1位 Summit

Image credit: ORNL

速度: 148.6ペタFLOPS
コア数: 2,414,592

ベンダー: IBM
場所: オークリッジ国立研究所、アメリカ合衆国

Summitはピーク時に200ペタFLOPSを提供できます。これは1秒あたり200京回の浮動小数点演算に相当します。

また、記録された電力効率14.66ギガFLOPS/ワットで、世界第3位のエネルギー効率スーパーコンピュータでもあります。

Summitの4,600台以上のサーバー（バスケットボールコート2面分のサイズ）には、9,200個以上のIBM Power9プロセッサと27,600個以上のNVIDIA Tesla V100 GPUが搭載されています。システムは185マイルの光ファイバーケーブルで接続され、8,100軒の家庭を運営するのに十分な電力を消費します。

2018年、Summitはエクサスケールの壁を破った最初のスーパーコンピュータとなりました。ゲノムデータを分析する際、1.88エクサopsのピークスループットを達成しました。これは1秒あたり約20億億回の計算に相当します。

米国は来年までに科学研究のための完全なエクサスケールコンピューティングエコシステムを開発することを目指しており、Summitはその一歩となっています。

1位 Fugaku（富岳）

速度: 442ペタFLOPS
コア数: 7,630,848

ベンダー: 富士通
場所: 理化学研究所計算科学研究センター、日本

理論上のピーク性能537ペタFLOPSで、Fugakuは世界最速のスーパーコンピュータです。また、ARMプロセッサで駆動される初のトップランクスーパーコンピュータでもあります。

HPCGベンチマークによると、Fugakuの性能は世界の次のトップ4スーパーコンピュータの合計性能を上回っています。

日本政府にとって素晴らしい成果ですが、このような強力なシステムの設計は安くありません。2014年以来、政府はプロジェクトのR&D、調達、アプリケーション開発に約10億ドルを費やしてきました。

Fugakuは2つのオペレーティングシステムを並行して実行します：Linuxと「軽量マルチカーネルOS」と呼ばれるIHK/McKernel。LinuxはPOSIX互換サービスを処理し、McKernelは高性能シミュレーションを実行します。

天気予報、クリーンエネルギー開発、創薬、個別化医療、量子力学の法則探求など、優先度の高い社会的・科学的問題に対処するように設計されています。

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よくある質問

スーパーコンピュータは何のソフトウェアを実行するのか？

ほぼすべての現代のスーパーコンピュータはLinuxオペレーティングシステムを使用します。主な理由はLinuxのオープンソースの性質です。

スーパーコンピュータは特定の目的のために設計されているため、それらの特定の要件に最適化されたカスタムOSが必要です。クローズドな専有オペレーティングシステムの開発と維持は、はるかに高価で時間がかかるプロセスであることが判明しています。

一方、Linuxは無料で信頼性が高く、カスタマイズしやすいです。開発者は各スーパーコンピュータのためにLinuxを設定したり、別バージョンを作成したりできます。

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誰がスーパーコンピュータを使用するのか？

スーパーコンピュータは主に科学者たちと研究者たちによって、以下を含むさまざまな分野で計算集約的なタスクを実行するために使用されます：

• 空力研究と天気予報
• 暗号強度のテスト
• 分子動力学シミュレーション
• 金融と市場調査
• 3D核実験シミュレーション
• 創薬
• 宇宙研究

どの国が最も多くのスーパーコンピュータを持っているか？

2021年現在、中国が世界トップ500スーパーコンピュータのうち188台を保有しています。アメリカ合衆国は122台、日本は34台です。上位2カ国で世界の最強スーパーコンピューティングマシンの62%を占めています。

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スーパーコンピュータの未来は？

Technavioレポートによると、世界のスーパーコンピュータ市場は2021年から2025年にかけて125億ドル成長し、予測期間中に20%のCAGRで進行すると予想されています。

人工知能、機械学習、クラウド技術の使用増加がこの成長の主な理由です。複雑な物理学、化学、環境問題に対処するための高度に洗練されたモデルの必要性が、成長をさらに加速させる可能性があります。

総じて、近い将来に洗練されたアプリケーションが増えるにつれ、スーパーコンピュータへの需要は結果として増加するでしょう。政府機関が最も収益の高いエンドユーザーになると予想されます。