イリノイ州の政府研究所は2021年に米国最速のスーパーコンピュータを導入する予定で、エクサスケールレベルの処理能力を持つ最初のスーパーコンピュータとなる。「Aurora」と呼ばれるこの巨大マシンはアルゴンヌ国立研究所に設置され、複雑なシステムのシミュレーション、人工知能の実行、材料科学研究といったタスクを実行できるようになる。
では、スーパーコンピュータの目的は何でしょうか？自動車の衝突試験のような実験は費用がかかり、複雑で、時には危険を伴います。しかし、スーパーコンピュータによるシミュレーションでは、研究者はそうした試験を仮想的に実行し、無数の変数を追跡・変更することができます。一部のスーパーコンピュータは核爆発のシミュレーションさえ行いますが、これは現実世界ではなく仮想世界で行うのが最適です。
エネルギー研究も考えられます。研究者はAuroraを使って風力タービンのブレードの設計をテストできるでしょう。複数のバリエーションを持つ実際のブレードを製作してその性能を検証する代わりに、スーパーコンピューターを使えばその実験をシミュレーションできます。これははるかに高速で、はるかに低コストです。あるいは、気候研究を考えてみましょう。「世界を実験室の瓶に入れて、エネルギー政策をあれこれ変えたらどうなるかを見ることはできません」と、Auroraを開発している企業の一つであるCray社の最高技術責任者、スティーブ・スコット氏は言います。
強力なスーパーコンピュータを、仮想的に世界をデジタルボトルに詰め込んだようなものと想像してみてください。Auroraについて、数字でさらに詳しくご紹介します。
ナンバーワン
2021年にオーロラが稼働すれば、国内トップのマシンになると予想される。「完成すれば米国最速を目指しています」と、新型マシンの開発も手がけるインテルのフェロー、アラン・ガラ氏は語る。もちろん、スーパーコンピューターに投資しているのは米国だけではない。現在、3番目に速いマシンは中国製で、つい最近の2017年11月まで、最速のスーパーコンピューター2位はいずれも中国製で、スイスと日本がそれに続いた。「ちょっとした競争がありますが、それには十分な理由があります。スーパーコンピューターは、ある意味で各国が競争するためのツールになっているのです」とガラ氏は言う。つまり、オーロラがいつか世界最速になったとしても、その地位を永遠に維持することはないだろうと考えて間違いないだろう。
1秒あたり1京回の演算
Auroraは毎秒1京回、つまり1000兆回の演算を実行できます。この数字は1,000,000,000,000,000,000と書き表されます。スーパーコンピュータや一部の一般的なコンピュータチップでは、パフォーマンスはFLOPS（浮動小数点演算/秒）で測定されます。これらの演算は、2つの長い数を加算または乗算する複雑な数式であり、これによりコンピュータは画面上でグラフィックスをレンダリングしたり、複雑なシミュレーションを実行したりといった問題を処理できます。
1 秒あたり 100 京回の演算能力により、Aurora はエクサフロップス マシンとなり、毎秒 1,000,000,000,000,000,000 個の難しい数学問題を解くことができるようになります。
現在、トップクラスのスーパーコンピューターはペタフロップス（約1.5倍）の性能を誇ります。オークリッジ国立研究所にある「Summit」と呼ばれる大型のスーパーコンピューターは、ピーク時に200ペタフロップスに達します。Auroraはその5倍の性能を持つはずです。90年代後半に遡ると、スーパーコンピューターの性能はテラフロップスでした。（歴史的に見て、チップとトランジスタは小型化と高速化が進んでいます。）
「地球上で最速のスーパーコンピュータは約200ペタフロップスなので、これは5倍から数十倍の速度です」と、クレイの社長兼CEOであるピーター・ウンガロ氏は述べています。「非常に短期間で、パフォーマンスと能力が飛躍的に向上したのです。」
10億台のノートパソコン
一般的なノートパソコンが1秒間に10億回の演算処理を実行できると仮定すると、Auroraは10億台のノートパソコンをすべて接続したのと同じ性能だ。「これは驚異的な数字です」とIntelのGara氏は言う。もちろん、Auroraは10億台のノートパソコンをすべて接続したよりも高速に動作する。スーパーコンピューターは、コンポーネントが効率的に相互接続されるようにスマートな配線が不可欠であり、ハードウェアの水冷システムを確保するといった実用的な問題も避けられないからだ。「まさにそこが、スーパーコンピューターと10億台のノートパソコンを単に積み重ねただけのものとの違いなのです」と彼は言う。
もう一つの参考として、Xbox One Xは現在市場最速のゲーム機です。その性能は約6テラフロップスです。
200台以上のキャビネット
スーパーコンピューターは、何もない部屋の真ん中に置かれた巨大な一台のマシンではありません。ハードウェアはキャビネットに収められています。Auroraには200台以上のスーパーコンピューターが必要で、Crayによると、各キャビネットの幅は約4フィート（約1.2メートル）、奥行きは約5フィート（約1.5メートル）、高さは約7フィート（約2メートル）以上です。キャビネット同士の間にはある程度のスペースが必要なため、システムの総面積は少なくとも6,400平方フィート（約640平方メートル）必要になります。つまり、Auroraコンピューターは少なくともバスケットボールコートよりも広いスペースを占めることになります。
各キャビネットは熱くなりますが、Cray 社によれば、液体冷却のおかげで、各キャビネットの温度を 4 分の 1 メガワットの電力で稼働できるほど低く保つことができるとのことです。
200ギガビット
各キャビネット内のコンピューティングノードとキャビネット自体を相互に接続する必要があるため、スイッチと銅線および光ファイバーケーブルによってネットワークが構築されます。各キャビネットには複数のスイッチがあり、各スイッチには64個のポートがあります。データがスイッチ間を流れる際、毎秒200ギガビットの速度で伝送されます。あるキャビネットのスイッチから別のキャビネットまで光ファイバーケーブルが伸びている場合を想像してみてください。この場合、データは毎秒20万メガビットの速度で伝送されます。（比較のために、Netflixによると、HD映画のストリーミングには5Mbps、4Kの場合は25Mbpsのインターネット接続が必要です。）
また、各ノードはスイッチからスイッチまでわずか 3 ホップ以下で接続されていると Cray のスコット氏は言います。
結局のところ、テラフロップス、ペタフロップス、エクサフロップスといった言葉は、コンピューター科学者がマシンの能力を表すために用いるベンチマークに過ぎません。「これらは単なる恣意的なマイルストーンに過ぎません」とスコット氏は言います。「もちろん、課題は限界を押し広げ続けることなのです。」
