#3 性能向上、ブレイクスルー、集中と分散
Yutaka Yasuda, 2003 spring term
地球シミュレータ
• http://www.es.jamstec.go.jp/esc/jp/outline.html
• 超並列アプローチ
– 8台のスパコンからなる計算ノードを高速ネットで640台接続
– 5120のスーパーコンピュータで並列計算
• 何故今このようなスタイルの計算機が?
(極端に大きな処理能力を実現する手法としてこのス
タイルを採った理由は?)
繰り返し処理
• (一般的) コンピュータの特長
– 単純な処理しかできない装置を組み合わせ、繰り返して処
理することで複雑な処理をこなす
– 前提:「複雑な処理」は単純な処理に分解可能である
• コンピュータの処理対象の限界をも示す
– 単純な処理に分解できない仕事には対応できない
– 多くの場合、分解できない=よく分かっていない
– つい先日まで二足歩行ができなかった
• 繰り返し処理の例
– 二進での多数桁の足し算・掛け算
二進での計算
• 10進で3桁の足し算を分解
– 10進1桁の足し算を三回(繰り
上がり込み)
• 2進では9桁、足し算も9回
二進での計算
• このような方法(筆算)で処理を行なう場合、
1. 一つの素子を9回使い回して処理する
2. 素子を9つ並べて一回で処理するか
のいずれかとなる。
• 実際のコンピュータ (32bit CPUの場合)
– 32桁を一度に計算して、
– 32桁以上の精度が必要な場合は何度も繰り返す
性能 (処理速度) は何で決まるか
• 並列度(例えば一度に処理する桁数)
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–
4bit CPU では (世界で初めての CPU Intel 4004, 1971)
4桁単位で処理
回路を 4 並列で用意して実現
4桁以上の演算は繰り返しで処理
その後 8bit, 16bit, 32bit, 64bit が処理能力のために
開発
– 現在市場での高性能CPUは 64bit CPU が主流
CPU回路の拡大
64bit CPUなので、
同一回路が64 並
列で並ぶ。
目に映る回路は
16 並列なので、恐
らくこの見えてい
る構造の中に 4 つ
ずつ何かの回路
ができていると思
われる。
資料
資料2
性能 (処理速度) は何で決まるか
• ビット並列度
– 性能=回路の複雑さに依存
• 繰り返し周期
–
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–
–
–
Intel 4004の108KHzから、今では 2GHz 程度に
性能=高速度
より細く短い配線:電気の伝わる速度
より小さな回路:素子が機能する最短時間
再び技術的困難さと価格の問題に直結
性能 (処理速度) は何で決まるか
• なぜ徐々に上がるのか?もっと上がらない
か?
– 性能向上=技術的困難さ+価格の問題
• 「単純な処理の高速な繰り返し」で性能が決
まる
– この方法での高速化には限界がある
– ブレイクスルーが望まれる
• 参考:
– 「マイクロプロセッサのテクノロジ」Intel の Web
– http://www.intel.co.jp/jp/home/technology/processor/in
dex.htm
マイクロプロセッサ
• いわゆるCPU
– 半導体の微細化、集積化による高速化技術を追及
– 他の高速化手法を大きく抜いて成功
• コンピュータの構成部品
– 機能のほとんどを幾つかのチップに収めることに
成功
– チップ価格=開発費用 / 生産数
– 共通品、量販品としての PC
– 最高速製品が最廉価品であるという矛盾
Yutaka Yasuda, 1999, RIEB of Kobe University
ブレイクスルー
• より大きな処理能力を実現するために
– もっと小さく、もっと速く、もっと複雑に
• 性能向上のための技術開発
–
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–
–
–
どこまでも続いてほしい
しかし障害も多く見えている
ブレイクスルーが望まれている
どんな分野でも追求とブレイクスルーの繰り返し
株式制度、為替制度なども同じか?
もっと細く
• 資料:ムーアの法則に挑む次世代リソグラ
フィ技術
– Moore,1965 : 半導体回路の集積度は18-24ヶ月ごと
に倍になる
• 超紫外線リソグラフィ
– 現行の 0.13μm 配線は遠紫外線
– 更に細かな回路配線を
• 資料:配線へのダメージ
– 静電気ですら簡単に配線を壊してしまう
三次元回路へ
• 集積回路は基本的に平屋構造
– Pentium4 でも実際に働いているのは一層
– 多層回路を実現することで集積度を上げる
– 平面配線による配線長の問題をクリア
• 例:
– サイコロのようなメモリブロックで 100GB
(ビデオ映像 100 時間程度)
• 熱問題
– 現在の Pentium4 クラスですら 50W 程度
• それでも莫大な利益を狙って強い推進力
グリッド・超並列分散
• 資料:グリッド・コンピューティング開発熱
– 複数のPCを集めてスパコンのような用途に
– 空いている社内の PC などを利用する可能性も
• 資料:ワールドワイドコンピュータ
– 世界中に分散した各家庭の PC の計算力をイン
ターネットで集める
– [email protected] [email protected] で既に実用化
– P2P と呼ばれる Napster のようなサービスも
– 今のサーバ・クライアントとは異なる新しいスタ
イル
集中と分散、技術のバランス
• 集積回路への技術集中
– 従来手法での高速化の限界
• それを補う処理能力向上の手法
– 並列処理・分散処理
(実は両者は同じもの)
• 光スイッチ (資料)
– 再び素子技術が牽引するのか?
• 歴史
– 計算機が実用化されて50年
– そのダイナミズムを感じる
– 次の判断をその波の上で行う感覚が求められている
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PowerPoint プレゼンテーション - Yutaka Yasuda, Kyoto Sangyo