家と同じくらいの大きさのコンピューターを見たことがありますか?

誰もが日常の中で「スーパーコンピュータ」というハイエンドな言葉を多かれ少なかれ耳にしたことがあると思います。多くのメディアも我が国のスーパーコンピューターの研究成果を継続的に追跡し、報道しています。我が国はスーパーコンピュータの分野でどれほどの力を持っているのでしょうか?

2020年から2022年の3年間に発表された世界トップ500スパコンリストを見ると、日本の「富岳」スパコンが3連覇を果たし、続いて米国のスパコン「サミット」と「シエラ」が2位と3位を占めた。我が国のスーパーコンピューター「Sunway TaihuLight」は4位、中国のスーパーコンピューター「Tianhe-2」は7位にランクされています。 2010年から2015年にかけて、わが国の天河1号と天河2号は世界トップ500スーパーコンピュータリストで6年連続優勝を果たし、神威太湖光号は2016年と2017年に世界スーパーコンピュータランキングでトップを獲得しました。

出典: モダンエクスプレス

では、スーパーコンピュータとは何でしょうか?スーパーコンピュータはどのような分野で活用できるのでしょうか?私の国はスーパーコンピュータの分野でどのようなボトルネックや課題に直面していますか?

1. スーパーコンピュータとは何ですか?

スーパーコンピュータは極めて大規模な電子コンピュータです。機能的には、データを入力して計算結果を出すという点で、通常のコンピュータと変わりません。両者の構成要素も基本的に同じです。

しかし、効率性と規模の点では、スーパーコンピュータは超高速のデータ処理速度と超大容量のデータ保存スペースを備え、通常のコンピュータをはるかに上回っています。

わが国初の国産チップ搭載製品「神威太湖光」を例に挙げると、この製品には合計40,960個の神威26010マルチコアプロセッサが搭載されている。単一のプロセッサはカメラの SD メモリ カードほどの大きさですが、膨大な計算能力を備えています。このプロセッサのピーク性能は 12.54 Qf/s、持続性能は 9.3 Qf/s (1 Qf は 1000 億) です。

スーパーコンピュータが非常に広い領域を占有するのは、まさにコンポーネントの数が多いためです。たとえば、「Shenwei TaihuLight」は、約1,000平方メートルの面積をカバーし、40台のコンピューティングキャビネットと8台のネットワークキャビネットで構成されています。 1 つのキャビネットには 1,024 個のプロセッサが含まれます。外から見ると、スーパーコンピュータは家や建物と同じくらいのスペースを占めます。スーパーコンピューターの消費電力も数千キロワットレベルです。一般的なパソコンは、わずか数百ワットの電力しか消費しません。スーパーコンピュータのエネルギー消費量は、パーソナルコンピュータ 10 万台分に相当します。より直感的な例を挙げると、スーパーコンピューターのエネルギー消費量は、時速 350 キロメートルで走行する高速列車のエネルギー消費量に相当します。

出典: アンスプラッシュ

スーパーコンピューターの記憶容量も巨大です。例えば、我が国のスーパーコンピュータ「天河2号」は、170台の筐体で構成され、24台のストレージ筐体を備え、総メモリ容量は1,200T、総ストレージ容量は11PB（1PBは約104万GB）です。

出典: 南方網

2. スーパーコンピュータの応用

スーパーコンピュータは軍事分野や民間分野のさまざまな場面で使用されています。スーパーコンピュータは、大規模な数値シミュレーション計算や大規模なデータ分析を必要とするあらゆる状況を加速するために使用できます。スーパーコンピュータは、核実験シミュレーション、石油探査、天気予報、農業育種、医療サービス、新薬開発、アニメーションレンダリング、材料設計、金融計算など、多くの困難な問題を解決することができます。

出典: CCTV.com

中国の科学者が率いる宇宙ニュートリノ数値シミュレーションの国際チームは、天河2号スーパーコンピューターシステムで30兆個の粒子による宇宙ニュートリノと暗黒物質の数値シミュレーションに成功し、ビッグバン後の1600万年から現在の137億年までの宇宙の長い進化の過程を明らかにした。

スーパーコンピュータは多くの研究分野に新たな研究方法をもたらしました。スーパーコンピューター上の仮想実験、さらには仮想現実は、現実の実験を補助したり、実際の実験に代わるものとして使用できます。

軍事産業では、コンピューターシミュレーションによる核爆発が核実験に完全に取って代わった。航空機を開発する際、空気力学と構造の設計を完了するためにスーパーコンピュータが使用されます。スーパーコンピュータの強力な計算能力により、仮想実験は理論的および実験的研究の限界を打ち破り、研究プロセスをスピードアップするとともにコストを大幅に削減できるようになりました。スーパーコンピューターは国防と科学技術の両面で重要な支点であり、「国の重兵器」と言っても過言ではない。

科学技術の継続的な進歩により、小型の情報処理機器へと進化したスーパーコンピュータは、クラウドコンピューティング、IoT、スマートデバイスによって相互接続されたネットワークを構築し、生産や生活のあらゆる側面に統合されています。経済・社会分野では、データマイニングによって人々の消費習慣を分析し、得られた研究結果によって業務効率を向上させることができます。

スーパーコンピューティングとそれに密接に関連する技術、そしてスマート製造、仮想現実などの新興産業の普及は、人々に現実と虚構の区別がつきにくい視点を提供し、将来に向けてより創造的な可能性をもたらすでしょう。

3. スーパーコンピュータが直面する課題

1990 年代以降、市販の汎用プロセッサの急速な発展により、スーパーコンピュータは継続的にアップグレードされてきました。 2000 年以降、市販の汎用ハードウェアを使用して構築されたスーパーコンピュータの数は、スーパーコンピュータ全体の 90% 以上に達しました。しかし、「コモディティ化されたハードウェア-ソフトウェア-アプリケーション」プロセスに従って開発されたこれらのマシンは、新たな課題にも直面しています。

まず、市販の汎用ソフトウェアとハ​​ードウェアでは、専門分野における計算上困難な問題を的確に処理することができないため、スーパーコンピュータはこれらの問題を処理するときにその計算能力をフルに発揮することができません。一方で、スーパーコンピュータのエネルギー消費量は増加し続けていますが、性能とエネルギー消費量の比率（エネルギー消費率）は大きく増加していません。さらに、スーパーコンピュータの運用コストが高いことも、その幅広い応用を妨げる課題の 1 つです。

出典: アンスプラッシュ

世界のスーパーコンピュータ技術は、依然として革新の嵐の真っ只中にあると予想されます。中国の科学者がハードウェアとソフトウェアの研究開発を強化し続けることで、中国のスーパーコンピューター技術は着実に進歩し、新たな成果を生み出し続けるでしょう。