RWC PCクラスタ

■ 低コスト並列コンピュータ実現のための基礎研究

　技術研究組合 新情報処理開発機構では、将来の本格的インターネット・マルチメディア社会における多様な計算処理需要に応えるために必要な基礎技術の研究開発を行っています。パソコン市場の増大、デバイス技術の進歩により、パソコンの価格性能比が向上し、安価で高速なコンピュータが容易に手に入るようになりました。標準パソコンを高速ネットワークで結合すると、ハードウエア性能（理論性能値）としてはスーパーコンピュータ並みの処理能力を得ることが可能です。しかし、単純に市販のパソコンをつなげただけでは、保守性ならびに設置面積において問題が生じ、また、コンピュータの性能を引き出す基本ソフトウエアの欠如によりスーパーコンピュータ並みのシステムを実現することはできません。そこで、並列分散システムソフトウエアつくば研究室では、このような諸問題を解決して、パソコンによるスーパーコンピュータ並みのコンピュータシステム（スーパーパソコンシステム）の実現を目指して、図1の年表にあるとおり 1995年よりワークステーションおよびPC(PersonalComputer)によるクラスタシステムの開発を進めてきました。

図１　開発年表

■64台のパソコンをつないだスーパーパソコンシステムであるRWC PCクラスタ２号機が完成

　1996年秋、我々は64台のパソコンをつないだスーパーパソコンシステムであるRWC PCクラスタ 2号機を完成させました。図2に掲載した通り、CPUとしてパーソナルコンピュータで利用されている米インテル社製Pentium Pro(200MHz)と主記憶256MB（メガバイト）を搭載した回路基板およびハードディスク2GB（ギガバイト）から構成されるコンピュータ（ノード）64台を米ミリコム社製Myrinet（ミリネット）高速ネットワークによりつないでいます。

図２　RWC PCクラスタ２号機の仕様

　RWC PCクラスタ2号機では、コンピュータの心臓部であるプロセッサと主記憶が搭載されている回路基板に米国工業団体PICMG(PCI Industrial Computer Manufactures Group)仕様を採用することにより、多数のパーソナルコンピュータを使いながらも保守性に優れかつコンパクトなスーパーパソコンシステムを開発しました（図3）。我々が1995年度に開発したワークステーションクラスタと比べるとノードあたりの体積比は1/30になりました。また、高速性能を維持しながら複数のユーザが同時に利用できる環境を実現しました。

図３　RWC PCクラスタ２号機のパーツと外観

■ ベンチマークプログラムで最新鋭スーパーコンピュータ並みの性能達成を確認

　1995年度に完成したRWC PCクラスタ1号機を改良したRWC PCクラスタ2号機は、理論性能値として12.8 GFlops（ギガフロップス、1秒間に128億回の浮動小数点演算）の処理能力を持つコンピュータシステムです。米国NASA（航空宇宙局）が開発したベンチマークプログラム集による性能計測の結果として既存の最新鋭スーパーコンピュータと同程度の性能が達成されていることが確認されました（図4参照）。ベンチマークプログラム集の中にあるISプログラム（整数を並べ替える）で、同一ノード数の最新鋭スーパーコンピュータ以上の性能を達成しました。最新鋭スーパーコンピュータが得意としている数値計算（連立一次元方程式）を解くプログラムでも、その5割程度の性能を達成しています。

図４　NAS Parallel Benchmarksの結果

■ キー技術は、新規開発した高速ネットワークドライバ、並列オペレーティングシステム

　このような性能は、高速ネットワークの性能を最大限引き出すネットワークドライバ「PM（ピーエム）」および並列オペレーティングシステム「SCore-D（エスコアディ）」という新ソフトウエアの実現により達成されました。また、他の同種のシステムとは異なり、高性能処理を損なうことなく複数ユーザが利用できる環境を実現しました。

　ネットワークドライバPMにより、従来のTCP/IPのようなネットワーク機能の上に構築された通信ライブラリと比較して100倍程度の性能向上を達成しました。また、RWC PCクラスタ1号機に搭載した旧PMに比べて4倍の性能向上を達成しています。RWC PCクラスタ1号機との比較を図5に掲載しました。

図５　RWC PCクラスタ１号機と２号機の比較

　並列オペレーティングシステムSCore-Dは核オペレーティングシステムとしてUNIXを使用し、 UNIXを改変することなく複数の並列応用プログラムを効率的にスケジューリングする機能を実現しています。ネットワークドライバPMとの協調により高性能処理を損なうことなく複数ユーザが利用できる環境を実現しました。

■ ソフトウエアの移植性を重視

　並列計算分野における標準通信ライブラリであるMPI（エムピーアイ）を搭載しました。これにより、スーパーコンピュータで稼動している多くのソフトウエアを容易に移植することが可能です。また、オペレーティングシステムの核にワークステーション分野における業界標準であるUNIX を採用しています。安価なコンピュータと使い慣れた利用環境による並列計算環境は、研究者や技術者に対して、従来敬遠されがちなスーパーコンピュータを身近にしました。

■ 将来の本格的インターネット・マルチメディア社会における基盤技術スーパーパソコンシステム

　今回開発した技術は、将来の本格的インターネット・マルチメディア社会における基盤技術になると考えております。現在、情報発信のためのサーバコンピュータは、アクセス数の増大、提供する情報量の増大に伴い高価な並列コンピュータを買い替えていかなければなりません。今回開発した技術を使用すると、当初は一台のパソコンによる情報発信から始め、要求される処理能力の増大に伴いパソコンと高速ネットワークを買い足していくことにより需要を満たすことが可能となります。安価に、かつ過去に投資したコンピュータ資源を廃棄することなく実現される新しいタイプのサーバコンピュータ環境は、これから到来する本格的インターネット・マルチメディア市場の裾野を広げる原動力になると考えております。

　オフィスにおけるパソコンを高速ネットワークで結合し、利用されていないパソコンを再利用してスーパーコンピュータ並みのシステム提供を可能とする基盤ソフトウエア技術でもあります。オフィスにおいても、マルチメディア技術を駆使した文書処理システム等、計算処理能力を必要とするアプリケーションが普及するための基盤になるものと考えております。オフィスから開発現場、研究所にいたるあらゆる領域でスーパーパソコンシステムが利用可能となるべく、今後、 LAN環境におけるより高速かつ高機能なネットワークハードウエアの研究開発を行うとともに今回開発した基本ソフトウエア技術をさらに発展させる予定です。