ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）とは| IBM

HPCとは

ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）とは、並列処理が可能な強力なプロセッサーのクラスターを使用して、ビッグデータとも呼ばれる膨大な多次元データ・セットを処理し、複雑な問題を極めて高速に解決するテクノロジーです。HPCは、今日の最も複雑なコンピューティング問題のいくつかをリアルタイムで解決します。

HPCシステムは通常、最速の汎用デスクトップ、ノートPC、サーバー・システムよりも100万倍以上の速度で動作します。

何十年もの間、ハイパフォーマンス・コンピューティングの鍵を握っていたのは、何百万ものプロセッサーやプロセッサー・コアを搭載した専用コンピューターであるスーパーコンピューターでした。スーパーコンピューターは今も健在です。この記事を書いている時点では、米国に拠点を置くFrontier（ibm.com外部へのリンク）が最速のスーパーコンピューターで、その処理速度は1.102エクサフロップス、つまり1秒間に100京の浮動小数点演算（flops）を行います。しかし現在では、高速コンピューター・サーバーのクラスター上でHPCサービスを運用する組織が増えています。これらはオンプレミスやクラウドでホストされています。

HPCのワークロードは、人間の知識を進歩させ、有意義な競争優位性を生み出す重要な新しい洞察を明らかにします。たとえば、HPCはDNA配列の解析、株式取引の自動化、人工知能（AI）アルゴリズムやシミュレーション（自動運転自動車を可能にするものなど）を実行し、IoT（モノのインターネット）センサー、レーダー、GPSシステムからリアルタイムでストリーミングされるテラバイト単位のデータを分析して瞬時に意思決定を行います。

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HPCの仕組み

標準的なコンピューティング・システムは、主にシリアル・コンピューティングを使用して問題を解決します。つまり、ワークロードを一連のタスクに分割し、同じプロセッサー上でタスクを次々と実行します。

これに対し、HPCでは以下のものが使用されています。

超並列コンピューティング

並列コンピューティングでは、複数のコンピューター・サーバーまたはプロセッサー上で複数のタスクを同時に実行します。超並列コンピューティングとは、数万から数百万のプロセッサーまたはプロセッサー・コアを使用する並列コンピューティングのことです。

コンピューター・クラスター（HPC Clusterとも呼ばれます）

HPC Clusterは、ネットワーク接続された複数の高速コンピューター・サーバーで構成され、並列コンピューティングのワークロードを管理する集中型スケジューラーを備えています。ノードと呼ばれるコンピューターは、高性能のマルチコアCPUまたはGPU（現在ではこちらのほうがより一般的）を使用しており、厳密な数学計算、機械学習モデル、グラフィックを多用するタスクに適しています。単一のHPC Clusterには10万以上のノードを含めることが可能です。

高性能コンポーネント

（HPC Cluster内にあるその他のコンピューティング・リソース（ネットワーク、メモリ、ストレージ、ファイル・システムなど）はすべて高速かつ高スループットです。これらは、ノードと同期してクラスターの計算能力とパフォーマンスを最適化できる低遅延のコンポーネントでもあります。

HPCとクラウド・コンピューティング

つい10年前まで、HPCには多額の費用がかかり、スーパーコンピューターを所有またはリースするか、オンプレミスのデータセンターにHPC Clusterを構築してホストする必要があったため、ほとんどの組織にとってHPCは手の届かないものでした。

現在、クラウド上のHPC（サービスとしてのHPC（HPCaaS）と呼ばれることもあります）は、企業がHPCを活用するための、大幅に高速で拡張性が高く、より手頃な方法を提供しています。HPCaaSには通常、クラウド・サービス・プロバイダーのデータセンターでホストされているHPC Clusterとインフラストラクチャーへのアクセスに加え、ネットワーク機能（AIやデータ分析など）とHPCの専門知識が含まれます。

現在、クラウドでのHPCを推進しているのは、以下にある3つの傾向が融合したものになっています。

需要の急増

あらゆる業界の組織が、HPCアプリだけが解決できる複雑な問題を解決することで得られるリアルタイムの洞察と競争上の優位性への依存度をますます高めています。たとえば、クレジット・カード詐欺の検知は、誰もが利用しており、ほとんどの人が一度は経験したことのあるものですが、不正行為が拡大し、詐欺師の手口が絶えず変化している中でも、不正行為をより迅速に特定し、厄介な誤検知を減らすために、HPCへの依存度がますます高まっています。

低レイテンシー、高スループットのRDMAネットワークの普及

リモート・ダイレクト・メモリ・アクセス（RDMA）を使用すると、ネットワークに接続された2台のコンピューター間で、それぞれのオペレーティング・システムを介さず、またそれぞれのコンピューターの処理に支障を与えることなく、一方のコンピューターのメモリにアクセスできます。これにより、レイテンシーを最小限に抑え、スループットを最大化できます。InfiniBand、仮想インターフェース・アーキテクチャ、RoCE（RDMA over Converged Ethernet）などの高性能RDMAファブリックの出現により、クラウドベースのHPCが実現可能になりました。

パブリッククラウドおよびプライベートクラウドにおけるHPCaaS可用性の普及

現在では、大手パブリックラウド・サービス・プロバイダーのすべてがHPCサービスを提供しています。また、一部の組織では、規制の厳しい、あるいは機密性の高いHPCワークロードをオンプレミスで運用し続けている一方で、多くの組織がハードウェア・ベンダーやソリューション・ベンダーが提供するプライベートクラウドHPCサービスを採用したり、移行したりしています。

HPCのユースケース

HPCアプリケーションは AIアプリ全般、特に機械学習やディープラーニング（深層学習）アプリの代名詞となっています。現在、ほとんどのHPCシステムは、これらのワークロードを念頭に置いて作成されています。これらのHPCアプリケーションは、以下の分野で継続的なイノベーションを推進しています。

医療、ゲノミクス、ライフ・サイエンス

ヒトゲノムの配列決定に初めて着手してから13年、現在ではHPCシステムにより1日足らずで解読できます。医療やライフ・サイエンスにおけるその他のHPCアプリケーションには、創薬や設計、迅速ながん診断、分子モデリングなどがあります。

金融サービス

HPCは、自動取引や不正アクセス検知の他に、モンテカルロシミュレーションやその他のリスク分析手法のアプリケーションにも活用されています。

官公庁・自治体および防衛

この分野におけるHPCのユースケースとして、気象予報と気候モデリングが急速に拡大しています。どちらも膨大な量の過去の気象データと、気候関連のデータ・ポイントにおける毎日の数百万件の変化を処理する必要があります。その他の官公庁・自治体および防衛の用途としては、エネルギー研究や諜報活動などがあります。

エネルギー

官公庁・自治体や防衛と重なる場合もありますが、エネルギー関連のHPCアプリケーションには、地震データの処理、貯留層のシミュレーションとモデリング、地理空間分析、風力シミュレーション、地形マッピングなどが含まれます。