第２章　ハイエンド･コンピューティング関連R&Dの動向

　ハイエンド･コンピューティング分野の連邦政府支援R&Dプログラムは、既述のようにCICの中のHECC （High End Computing and Computation）及びDOEのASCI（Accelerated Strategic Computing Initiative）が中心となる。HECCは各連邦政府機関の独立したハイエンド･コンピューティングの研究開発計画を包含した形で進められており、独立性の高い大きな計画としては、NSFのPACI（Partnership for Advanced Computational Infrastructure）、NASAのHECC、DODのHPCMP（High Performance Computing Modernization Program）が挙げられる。このうちでもPACIは98年度からHECCのインフラストラクチャーとしてHECCに組み込まれたものであるが、実際は第4章で述べるように、ASCIも2000年度からはHECCに組み込まれることになるはずである。また、HPCMPはHECCには正式には含まれていないが、HPCC/HECC とほぼ足並みをそろえて進められている。本章ではこれらの計画について、やや詳細にその内容を見てみることにする。

１．HECC計画の概要

(1) HECC計画
　HECCは、米国のハイエンド・コンピューティングの分野でのリーダーシップを維持することを目的に、物理、科学、生物学等の分野でのモデリングやシミュレーションのアルゴリズム、情報量の多い科学・技術分野のアプリケーション、あるいは、量子、生物、光など次世代のコンピューティング概念など、ソフト、ハード両面での研究を行っている。3～5年という短期的な目標としては、テラフロップス（1012 floating point operations per second）レベルでのコンピューティングのためのOS、言語とコンパイラ、プログラミング環境とライブラリ、デバッギングとパフォーマンス･ツール、科学的な映像化、データ管理等の研究を上げている。さらに10～15年という中長期的な目標としては、ペタフロップス（1015）レベルの速度とエグザバイト（1018）の記憶容量に必要な技術と、それを必要とするアプリケーションの開発を掲げている。

HECCの技術開発研究の推進対象は、以下の4分野であると設定されている。
1) システム･ソフトウェア技術
　第1の分野は、政府、民間、学界の広いレンジのアプリケーションに対し、テラフロップス･スケールのシステムの利用性や効率を高めることを目指すもので、中期的（3～5年）な技術開発課題としている。この技術は、ハイエンド･アーキテクチャーに対応しようとするものであり、ハイエンド･アーキテクチャーとしてシンメトリック･マルチプロセッサ･システム（SMPs）、SMPsのクラスター、ホモジーニアスあるいはヘテロジーニアスなクラスター･システムが分散されたコンピュテーショナル･グリッドなどを含んでいる。長期的な活動としては、次世代のハイエンド･システム･アーキテクチャーのシステム・ソフトウェア技術への要求に焦点を合わせている。
　　主要な研究対象としては、
　　　1.OSと入出力
　　　2.言語とコンパイラ
　　　3.プログラミング･インタフェースとライブラリーズ
　　　4.デバッギングとパフォーマンス･ツール
　　　5.科学的な視覚化
　　　6.データ管理
　　　7.共通フレームワークとインフラストラクチャー

2)将来世代コンピューティングのための最先端研究　政府、学界、民間のアプリケーションに推進されて、この第2の分野はペタフロップスの速度とエグザバイトの容量の維持を達成するための長期的な研究開発に焦点を合わせている。この速度と容量を必要とアプリケーションの分野は、

1. 生物学では、複雑な生物学的システム（薄膜、合成機構、DNA）や生物学的機能とゲノム情報とのポストゲノム結合のシミュレーション。
2. ビジネスでは、複雑な運輸・通信、経済システムのモデリング。
3. 地球環境では、統合された地球システム（海洋、大気、生態系）のモデリング、石油貯蔵庫による地下水の汚染と管理の総合的モデリング、新化合物の設計と環境に安全でコストの低い合成法の開発等。
4. 材料科学と製造分野では、ミクロとマクロの間のギャップを埋めるための材料シミュレーション、マイクロマシンの挙動と機構に係る電子的機械的シミュレーション等。
5. 物理学では、構造、液体、幾何学の組み合わせでの最適化問題、プラズマ核融合のシミュレーション等。

3)HECC技術の実際のアプリケーションへの取り込み

　HECC参加機関はそれぞれ、高速の計算速度や大きなデータ容量を必要とするミッション推進のための科学的アプリケーションをサポートしており、この第3の分野は、HECCの方式を各機関のアプリケーションにまず取り込み、そしてそのキーとなるアプリケーションが充分に実行するのを確保する。ハイパフォーマンスなコンピュテーショナル設備を必要とする問題を解くためのコンピュータ科学アルゴリズムを使用することを推奨し、さらに、巨大で希薄なマトリックス、探索、ソーティング、パターン･マッチングなどの問題に対応するためのコンピュータ科学的テクニックに用いられる高速で効率的なアルゴリズムが必要になる。大量の同時発生的で、フォールト･トレラントで、レイテンシー･ハイディングなアルゴリズムの研究は将来のコンピュテーショナル･システムにとって不可欠である。

4)HECC研究のためのインフラストラクチャー

　第4の分野は、最大の演算力と速度を持ったバランスの取れた研究用インフラストラクチャーの確保を目的とする。LSN（Large Scale Networking）とは独立して、この分野は大規模なテストシステムと大規模でハイパフォーマンスなコンピュテーショナル･グリッド／ネットワーク上に構築された研究設備をサポートする。

　上記4分野に対応して98、99年度に実施されている主要な研究テーマと実施機関を挙げると以下のようになる。

・ 分散コンピューティング（NSF）

・ プルーフ･キャリーイング･コード（NSF）

・ スケーラブル･ソフトウェアと利用の簡易化（DARPA）

・ オペレーティング･システムの拡張（DARPA）

・ ハイパフォーマンス･ソフトウェア･ツール（DOE）

・ 地球・宇宙科学（NASA）

・ MARQUISE計画（NSA）

・ 高速コンピューティングにおけるマイクロエレクトロニクス（NSA）

・ UPC言語（NSA）

・ クウォンタム（量子）・コンピューティング（NSA）

・ パフォーマンス計測･テスト技術（NIST）

・ 並列環境モデリング･ソフトウェア（EPA・アイオワ州立大学）

・ HPC近代化計画（DOD）

・ 共通HPCソフトウェア支援計画（DOD）

・ コンピュテーショナル･モデル（DARPA）

・ インテリジェント･システム技術（DARPA）

・ スケーラブル･コンピューティング（DARPA）

・ ウルトラスケール･コンピューティング（DARPA）

・ グローバル･スケース･システム･ソフトウェア（DARPA）

・ インフォメーション･サバイバビリティ（DARPA）

・ マルチ･スレッデッド･アーキテクチャー（DOE）

・ ノン･バイナリー光学記憶システム（NSF・ジョージア工科大学）

・ CDMA通信システムでのマルチユーザー検出
　（NSF・ニュージャージー工科大学等）

・ ノレッジ･ネットワーキング（NSF）

・ ハイブリッド･テクノロジー･マルチスレッデッド･アーキテクチャー
　（NSA）

・ 高速回路（NSA）

・ RES、JACKAL、LOTS（NSA）

・ マルチフィジックス問題のハイパフォーマンス･シミュレーション
　（NSF・コロラド大学等）

・ マルチモデル･マルチドメイン･コンピュテーショナル･メソッド
　（NSF・オールド･ドミニオン大学等）

・ スマート･アンテナ（NSF）

・ 分子生物学への地形分析の応用（NSF・イリノイ大学）

・ NASA先進スーパーコンピューティング･アプリケーション

・ コンピュテーショナル航空科学（NASA）

・ DOEグランドチャレンジ･アプリケーション

・ 分子構造予想・シミュレーション（NIH）

・ 陽電子放射トモグラフィ3次元画像の再生（NIH）

・ 画像管理と通信システム（NIH）

・ 放射線医学診察ワークステーション（NIH）

・ 環境保護（EPA）

・ EPAのスケーラブル･ソフトウェア･ライブラリ

・ 環境モデリング（EPA）

・ 帯水層モデリング（EPA）

・ 大規模環境フローとトランスポート（EPA・ケンタッキー大学）

・ コンピュテーショナル科学用オンライン参照データ（NIST）

・ ハイパフォーマンス線形代数ソフトウェア（NIST）

・ NOAA開発のアルゴリズム

・ 気象予報科学（NOAA）

・ 地球物理学流体力学（NOAA）

・ ハイパフォーマンス･コンピューティング･リソース･プロバイダー
　「HPCRPｓ」（DOE）

・ アドバンスド･コンピュテーショナル･テスティング&シミュレーション･
　リサーチ「ACTS」･ツールキット（DOE）

・ アカデミック･ストラテジック･アライアンス･プログラム「ASAP」（DOE）