高性能コンピュータを何といいますか?

高性能コンピューターは、「スーパーコンピューター」や「スーパーコンピューター」とも呼ばれます。主に、他のコンピューターでは解決できない困難な問題を解決するために使用されます。通常、非常に高速な計算速度、巨大なストレージ容量を指します。 , 通信帯域が非常に高いコンピュータの一種。高性能コンピュータの主な特徴は、膨大なデータ記憶容量と非常に速いデータ処理速度という2つの側面があり、人間や通常のコンピュータでは実行できないさまざまな分野のタスクを実行できます。

このチュートリアルの動作環境: Windows 7 システム、Dell G3 コンピューター。

スーパーコンピューターやスーパーコンピューターとしても知られる高性能コンピューターは、世界的に認められたハイテクの最高峰であり、21 世紀の最も重要な科学分野の 1 つです。

高性能コンピューター (HPC、スーパーコンピューターとも呼ばれる) は、主に他のコンピューターでは解決できない困難な問題を解決するために使用されます。通常、非常に高速な計算速度、大容量のストレージ容量、および非常に高い処理能力を備えたコンピューターを指します。高い通信帯域幅、コンピュータのようなもの。

最大の特徴は、膨大なデータ保存容量と極めて高速なデータ処理速度の2点であり、人間や通常のコンピュータでは実行できないさまざまな分野の作業を実行できます。

ハイパフォーマンス コンピューティングはコンピュータ サイエンスおよびエンジニアリングの「王冠」とみなされており、近年各国は国家レベルでの研究開発計画を頻繁に立ち上げています。

1. ハイパフォーマンス コンピューティングは重要な科学技術の方向性です

ハイパフォーマンス コンピューター (HPC、高性能コンピューター、スーパーコンピューターとも呼ばれます) は重要なツールです国のために。核爆発のシミュレーション、石油貯留のシミュレーションから異常気象予測に至るまで、高性能コンピューティングが国家の安全と平穏を守ります。そのため、ハイパフォーマンスコンピューティングは国家間の総合力を測る指標の一つにもなり、国力の象徴とされています。 2020年以来、第14次5カ年計画と新たなインフラストラクチャにより、我が国の高性能コンピューティングセンターの建設は急速な成長期に入り、各地の地方自治体、企業、機関が積極的に建設と準備を進めています。高性能コンピューティング センター。

1.1. ハイ パフォーマンス コンピューティングとは何ですか?

ハイパフォーマンス コンピューティングとは、複数のコンピューティング ノードを組織し、ネットワークを介して接続し、連携してより強力なコンピュータ (通常は非常に高速なコンピューティング機能) を形成することを指します。高速、非常に大容量のストレージ容量、および非常に高い通信帯域幅を備えたコンピュータ。ハイ パフォーマンス コンピューティングにより、コンピューター クラスター全体が同じタスクに取り組むことができ、複雑な問題をより迅速に解決できます。高性能コンピューターは、多くの場合、1 つのタスク (または限られた数のタスク) を実行します。すべてのコンピューター リソースが同じタスクに割り当てられます。同じ問題を解決するには、クラスター内のさまざまなコンピューターが非常に優れた通信能力を備えている必要があります。

図 1: 高性能コンピューティング ノードの相互接続の概略図

高性能コンピューターは、コンピューターとネットワークの組み合わせです。 インターネットが外部から別々のコンピューターに接続していると仮定すると、クラスターはネットワークを内部化し、ネットワークをシステム内のさまざまなコンピューターの通信ブリッジにします。クラスターを創造的に発明した最初の人物は、「ハイパフォーマンス コンピューティングの父」として知られるシーモア クレイです。 1960 年代、高性能コンピューティングは、特別に設計された高価なメインフレーム コンピューターでのみ可能でした。これらのメインフレームは、高い動作周波数を達成するために複雑な回路を必要とするため、設計と生産のサイクルが非常に長くなります。

シーモア クレイは、並列処理がコンピュータのパフォーマンスを向上させる効果的な方法であると提案しました。 1964 年にシーモア・クレイが開発した CDC 6600 は、通常のプロセッサを複数接続して連携させて開発されました。政府および科学研究部門は、元のメインフレームを置き換えるために、このような新しい高性能コンピューターを購入し始めました。高性能コンピュータは、月面着陸計画などの大規模な科学研究プロジェクトに忘れられない貢献をし、高性能コンピューティング技術と産業の長年にわたる持続的な発展と繁栄をもたらしました。

過去 60 年間のハイ パフォーマンス コンピューティングの進化は、Cray 時代とマルチコンピューター時代の 2 つの段階に簡単に分けることができます。

(1) クレイ時代。 1960 年代から 1990 年代初頭までの 30 年間は「Cray 時代」と呼ばれ、Cray は単一メモリ ベクトル マシンの技術革新に導かれ、最初の 30 年間のハイパフォーマンス コンピューティング市場を定義し、リードしました。開発の最初の 30 年間は「定天」に重点が置かれ、国家戦略部門のみにサービスを提供しました。

(2) マルチコンピュータ時代。 1990 年代から現在までの 30 年間は「マルチコンピュータ時代」と呼ばれ、マイクロプロセッサの出現と多数の業界標準ハードウェアの普及により、複数の汎用コンピュータや商用コンピュータの大規模な相互接続が行われています。システム アーキテクチャの技術革新が、これまでのハイ パフォーマンス コンピューティングの開発を支配してきました。今後 30 年間で、高性能コンピュータは国家戦略アプリケーションの最高性能要件を満たすと同時に、「場所」が開発の主な目標となり、市場主導型の高性能コンピュータアプリケーションの普及が進んでいます。第二段階の顕著な特徴。

1.2. ハイ パフォーマンス コンピューティングが重要なのはなぜですか?

ハイパフォーマンス コンピューティングは、コンピューター サイエンスとエンジニアリングの「王冠」です。 ハイ パフォーマンス コンピューティングは、コンピューター テクノロジーの源の 1 つです。 Hadoop などの並列プログラミング ツールや RDMA などのリモート通信テクノロジなど、インターネット業界が依存するデータ センターのコア テクノロジは、ほとんどがここから派生しています。したがって、高性能コンピュータはコンピュータ科学および工学の「王冠」とみなされます。各国は頻繁に国家レベルで研究開発計画を立ち上げます。中国が繰り返しハイパフォーマンスコンピューティングの世界TOP500に名を連ねてきたことを受けて、米国は2015年以来、無錫の国立国防技術大学を含む多くの中国のハイパフォーマンスコンピューティング関連機関や企業をエンティティリストに加えている。江南計算技術研究院、蘇厳、神威など。しかし、我が国の総合的なハイパフォーマンスコンピューティングの実力と米国の総合力との間には、依然として大きな差があります。

したがって、自律的で制御可能な高性能コンピューティングの開発が重要です。

#2. ハイパフォーマンス コンピューティングに対する高い技術的障壁

高性能 コンピューティングの中核となる機能は、64 ビット倍精度浮動小数点演算機能です。ハイ パフォーマンス コンピューティングは汎用コンピューティング能力であり、その設計目標は、より強力な高精度コンピューティング機能を備えた、完全かつ複雑なコンピューティング機能を提供することです。 Linpack テストは、ハイ パフォーマンス コンピューティングのパフォーマンスを測定するために業界で広く使用されており、ハイ パフォーマンス コンピューティングの「倍精度浮動小数点演算能力」、つまり 64 ビット浮動小数点数の計算をテストします。 (FP64) という高精度な数値計算です。バイナリで表現される数値精度には、単精度（32ビット、FP32）、半精度（16ビット、FP16）、整数型（INT8、INT4など）などがあります。桁数が多いほど、より広い範囲の値内で 2 つの値の変化を反映できるため、より正確な計算が可能になります。

ハイパフォーマンス コンピューティングには、通常のデータ センターやインテリジェント コンピューティング センターよりも高い基本的なチップ パフォーマンス要件があります。コンピューティングセンターにはさまざまな種類があり、データセンター、高性能コンピューティングセンター、インテリジェントコンピューティングセンターなどに大別され、いずれもクラウド形式でサービスを提供できます。人工知能の要件の実現を例に挙げると、推論、トレーニング、シミュレーションが AI の 3 つの主要なタスクです。

この次元では、チップのアプリケーションの上限はその基盤構造によって決まり、ソフトウェアの最適化によっても改善することはできません。チップ レベルで見ると、基礎となるチップが CPU 固有の AI チップを使用している場合、AI 推論とトレーニング タスクのみを完了できますが、シミュレーションを完了することはできません。 AI チップは倍精度浮動小数点演算を実装できないため、倍精度浮動小数点演算には主に線形代数方程式を解くことが含まれており、科学問題や社会問題などを含む自然界の多くの問題は最終的には線形代数に変換できます。方程式を解く問題。

#ハイパフォーマンス コンピューティングのアーキテクチャ設計とソフトウェアも同様に重要です。

チップはハイ パフォーマンス コンピューティングの重要な部分ですが、それがハイ パフォーマンス コンピューティング テクノロジのすべてではありません。ハイパフォーマンスコンピューティングは単にCPUを積み重ねるだけではなく、アーキテクチャ設計、高速インターネット、並列ファイルシステム、ストレージアレイなどに不備があれば、いくらCPUを積み重ねてもハイパフォーマンスコンピューティングの性能は向上しません。コンピューティング能力の強化とアプリケーション プロジェクトの規模と複雑さの増大に伴い、高性能コンピュータの並列ファイル システムに対するパフォーマンス要件はますます高くなっています。ハイパフォーマンス コンピューティングの技術的な波及効果は非常に明白です。サーバーはハイパフォーマンスコンピューティングの相互接続技術、CPU技術、オペレーティングシステム技術、並列ソフトウェア設計技術をスムーズに導入できるため、ハイパフォーマンスコンピューティングの蓄積が自然にサーバー業界に溢れ出る可能性がある。

3. ハイ パフォーマンス コンピューティング市場は非常に繁栄しています

3.1. ハイ パフォーマンス コンピューティングは主にどのようなシナリオで使用されますか?

ハイパフォーマンス コンピューティングは、並列コンピューティングを必要とするタスクに適しており、アプリケーション シナリオは拡大し続けています。ハイパフォーマンスコンピューティングの主な応用シナリオは、航空機設計、核シミュレーション実験、星雲シミュレーション、暗号解読などの数値シミュレーションシナリオと、ビッグデータ解析、統計解析、統計解析などのデータ解析シナリオの2つに分類されます。そして人工知能。

航空機やその他の航空機の工学設計における多くの条件は測定できず、計算してシミュレーションすることしかできないため、米国は高性能コンピューティングの輸出に非常に慎重です。ハイパフォーマンスコンピューティングアプリケーションは、これまでの高精度からさらに幅広い方向に発展しています。高性能コンピューティングの発展、特に使用コストの継続的な低下に伴い、その応用分野も核兵器開発、情報セキュリティ、国家戦略的意義のある石油探査などの科学技術コンピューティング分野から、より広範な主戦場へと急速に拡大しています。医薬品、遺伝子配列決定、アニメーションレンダリング、データマイニング、財務分析、インターネットサービスなどの国家経済。

2021年11月の中国の高性能コンピュータTOP100における業界アプリケーション分野のLinpackパフォーマンスシェアから判断すると、コンピューティングパワーサービス、高性能コンピューティングセンター、人工知能、科学技術コンピューティングおよびその他の分野がLinpackの主なユーザーです。ハイパフォーマンス コンピューティング、インターネット ビッグデータ、特に AI 分野は急速に成長しています。

図 6: 中国のトップ 100 産業における応用分野のシェア (2021.11)###

#3.2. ハイパフォーマンス コンピューティングの市場スペースはどれくらいですか?

第 14 次 5 か年計画と新しいインフラストラクチャにより、ハイ パフォーマンス コンピューティングは急速な成長期に突入します。我が国の高性能コンピューティングセンターの建設は、主に省庁と省（市）間の協力協定を通じて高性能コンピューティングセンターの建設計画を策定し、科学技術省が国家科学を代表してホストの性能目標を設定する。そして技術戦略。地方政府は、高性能計算センターが地域の科学技術開発の機能的担体となり、人材を集め、科学技術を革新し、経済発展を促進することを期待している。 2021年3月、我が国の「第14次5カ年計画」では、「国家統合ビッグデータセンターシステムの構築を加速し、コンピューティングパワーの全体的なインテリジェントな派遣を強化し、多数の国家ハブノードを構築し、計画によると、合肥、蘭州、厦門、太原などに高性能コンピューティングセンターが設置される。

「Eastern Digital and Western Counting」プロジェクトの実施により、西部地域における高性能コンピューティング センターの開発がさらに促進されることが期待されます。 2022年2月、国家発展改革委員会は、北京-天津-河北、長江デルタ、広東-香港-マカオ大湾区、成都-重慶、内モンゴル、貴州、甘粛、寧夏を含む10カ国にデータセンタークラスターを計画。現時点で、国家統合ビッグデータセンターシステムの全体的なレイアウト設計は完了しており、これは「東方データと西方計数」プロジェクトの正式な開始を意味する。西部には風力発電や太陽光発電があり、エネルギーが豊富で、年平均気温が比較的低く、コンピューティングセンターの存続に非常に適しているが、ハイパフォーマンスコンピューティングビジネスではリアルタイム通信の需要が高くない。将来的には、高性能コンピューティング センターが、重要な通信事業者のコンピューティング能力のレイアウトを最適化するための基盤となることが期待されています。

当社では、大規模ハイパフォーマンス コンピューティング センター 1 基への投資は 20 億元以上になると予測しており、毎年新たに建設されるハイパフォーマンス コンピューティング センターの平均数に基づくと、市場規模は政府が計画する高性能コンピューティングセンターの投資額は年間100億元に達する。

#中国のハイパフォーマンス コンピューティング市場全体は、2022 年に 400 億元を超えると予想されます。 政府の計画に加えて、アリババやテンセントなどの多くのインターネット巨人は、ハイパフォーマンス コンピューティングの構築を積極的に展開しています。テンセントを例に挙げると、長江デルタ人工知能高性能コンピューティングセンターは2020年6月に正式に建設を開始し、450億元以上を投資し、完成後はさまざまな大規模なAIアルゴリズムの計算、機械学習を行う予定である。 、画像処理、科学計算および工学、計算タスク。さらに、金融機関や通信事業者などが独自のハイパフォーマンスコンピューティングを積極的に導入しています。 Guanyan Tianxia氏の予測によると、中国のハイパフォーマンスコンピューティング産業全体の市場規模は2022年に400億元を超え、2021年から2025年までのCAGRは約13％になるという。

4. ハイ パフォーマンス コンピューティング市場の競争状況は安定しています

Lenovo、Sugon、Inspur が市場シェアのトップ 3 にランクされています。中国のハイパフォーマンスコンピューティングTOP100における主要企業のシステム数の統計から判断すると、2002年以前はTOP100は主に外資系のHPとIBMであり、その後は中国のLenovo、Sugon、Inspurが主流となった。

Zhongke Sugon は、1998 年にスケーラブルなクラスター アーキテクチャを備えた 863 プロジェクト「Sugon 2000」スーパー サーバーを完成しました。2001 年に「Sugon 3000」スーパー サーバーを完成させた後、2005 年から市場競争が顕著なパフォーマンスを示し始めました。 2010年から2019年まで10年連続で設置台数シェア1位となり、2019年には40％近くを占めました。

Inspur が 2012 年に「863 Plan」フォールト トレラント サーバー プロジェクトを完了した後、2014 年に大幅な改善が見られ始めました。

2014 年に IBM の X86 HPC 製品ラインを買収したことにより、Lenovo の市場シェアは急激に拡大し、2021 年には設置台数 TOP100 で第 1 位を獲得しました。

Lenovo、Inspur、Sugon の中で、チップなどのハードウェアからソフトウェアシステムに至るまで独立した知的財産権を国内で保有しているのは Sugon だけです。

さらに関連する知識については、FAQ 列をご覧ください。

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