スパコンンのアーキテクチャー


1 ベクトル型: ハードウエアとしてベクトル・パイプライン機構をもち、ソフトウエアとしてベクトル演算命令で計算。CPUとメモリ間のデータ転送バンドが広く演算性能に優れているが、価格があまりにも高く、従って、コスト・パフォーマンスが低くなる。日本メ−カ−がベクトル型に強い。 初期のCRAY−1は最速160メガflops。供給メーカーはほとんど、NEC社が唯一といえるNEC社の独壇場である。
 NEC社のベクトル型を多数並列したアース・シミュレーターは世界的に有名だ。 CPU Chipを複数個、本体内に並列に並べる。 CPUチップは過去には、ガリ砒素ECLで造られるていたが、最近はCMOSプロセスで造られる。 CMOSプロセスの集積度が上がり、伝播遅延時間が短くなったのと、価格面から、発熱面から、消費電力の面から、小型化からCMOSプロセスが有利。過去の代表例はアムダ−ル社やクレイ社。 発熱面から冷却も水冷や空冷式があり、図体の大きな、大消費電力型で膨大な維持費がかかる。 今後は、ほとんど、製品拡大が期待できなく、現在はNEC社がほとんど唯一の生産メーカーであり、 また、海洋科学技術センターのアースシミュレーターもNEC社のベクトルマシンを多数、組み込んでいる。

2 スカラ−型 ; パソコンのようにメモリからプログラム読んで実行するタイプ。普通、コンピュータと言うとスカラー型をいう。最近のスカラースパコンの中身は、Itainium2やSPARC,PA-RISC,POWERなどのRISCプロセッサーを多数搭載している。マルチMPUコアが花形だ。

 ・ 平成14年9月、富士通社は世界最高の理論ピ-ク性能を実現した、スカラー型スパコン「PRIMPOWER HPC2500}を発表した。
同社はこれまで、ベクトル型スパコンを供給してきたが、今後は、ベクトル型から大規模並列スカラー方式へ移行すると発表。動作周波数1.3ギガの64ビットの「スパーク64 X」を搭載する。、プロセッサ当たりの演算速度は5.2ギガflops、単一ノードではプロセッサーを8から128個集積でき最大演算速度は665.6ギガflopsとなる。このノード同士をMax16ギガB/秒x2の高速光インターコネクトで、Max128ノード迄拡張でき、最高演算速度は、85.2ギガflopsとなる。 VPP5000に比べると、ノード当たりのピ-ク性能は約70倍に達する。
すでに、日立製作所社もベクトル型から置き換えたので、ベクトル・スパコンの生産はほとんど、NEC社が唯一となりそう。

 ・平成15年10月、富士通社は京都大学の学術情報メディアセンターから「PRIMEPOWER HPC2500」を受注した。ピーク性能は9.185テラFlopsで、月額使用料金は約1億円。




3 デ−タフロ−型:1974年にデニスが提案した方式。従来のノイマン方式の逐次計算をとらない、デ−タ駆動型計算機。

 ・平成18年1月、東京大学大学院情報理工学系研究科 坂井修一先生のデータフローコンピュータは; http://dataflow/


4 超電導型: 超電導現象を利用。単独での実用化が進まない。環境保持が困難で動作が不安定だ。

 ・平成16年2月、名古屋大学藤巻先生と横浜国立大学吉川信行先生の共同チームは世界で初めて、超伝導状態で磁気を1個ずつ制御して超高速計算ができるMPUを開発した。

 ・平成17年9月、名古屋大学と国際超電導産業技術センターは、超電導材料を使い世界最高速度の120GHzで動作する回路を開発したと発表。

 ・平成19年6月、東京工業大学フロンテア創造共同研究センター細野秀雄教授と理化学研究所低音物理研究室河野公俊主任研究員は、セメントを超電導素材化に  http:/ セメント



5 光型: 光デバイスにて光速にて超高速計算する。 

 ・ 平成12年6月、東京大学岡本博先生は光学非線形性の特性を持つ新素材を発見した。これは、材料に当てる光の強さをわずかに変えると光の屈折率などの値が大きく変化することを利用する。今迄に知られている光学材より約千倍も大きく、電気を使わず光だけで動作する演算素子の開発の道が開ける。光コンピュ−タは配線も簡単で並列処理に向いている。 三菱電機社のシステムが有名。その他、慶応大学小池康博先生は、超高速通信用プラスチック光ファイバ−の実用化に成功した。

6 DNA(バイオ)型: (生体分子型)
 ・1994年、南カルフォニア大学のLeonard Adleman教授が、ハミルトン経路問題をDNAとバイオテクノロジーを駆使して解いたことから研究が盛んになった。当時は専用型で汎用性に欠けていた。

 ・ 平成12年5月、東京大学理学部坂本健作先生と早稲田大学との共同チ−ムの下記の研究成果を発表。
デオキシリボ核酸DNAの性質を利用したバイオ計算機。 アデニンとチミン、グアニンとシトシンという4つの化学物質(塩基)の並びで情報を記録する。アデニンとチミン、グアニンとシトシンのそれぞれの組み合わせはそれぞれが、鍵と鍵穴のように選択的に結合するという性質を利用する。 計算に必要な情報を短いDNA分子の塩基配列として記録し、試験管内で同時にたくさんの分子を化学反応させることにより計算させ問題を解く。並列的に処理できるので複雑な組み合わせ問題を解くのに向いている。 小さな試験管の中で膨大な計算が可能で、特別な装置なしに、生化学実験室で設備にお金をかけずにで実施できるという。
詳しくは平成12年5月19日付け米国、科学雑誌サイエンスを参照。 処理に1週間ほどかかるが、理論的には現在のスパコンの1億倍も高速計算が可能という。用途は複雑な計算を必要とする暗号等の開発に適しているという。

 ・平成13年11月、イスラエルのワイズマン研究所は生体分子で構成したDNAコンピュータを開発した。速度は1秒間に10億回の演算回数。DNAをソフトウエアに酵素をハードウエアに利用するコンピュータ。 生体分子のナノ機械の実用化にはまだまだ、長い時間がかかるが、将来はDNA配列のライブラリーのスクリーニングに利用されるであろう。ナノ機械が新薬を合成する日がやってくる。詳しくは22日付ネイチャー。

 ・平成14年1月、東京大学大学院総合文化研究科の陶山明先生と、オリンパス工学工業ゲノム医療事業推進室唐木幸子先生はDNAコンピュータを実用化して、世界初の遺伝子解析用コンピュータ製品化したと発表。 いよいよコンピュータが遺伝子解析に実用化される運びとなった。人類にとって、真に歓迎すべき快挙!!! 遺伝子治療の実現
詳しくは http://www.olympusオリンパス社DNAコンピュータ

 ・平成14年5月、富士ゼロックス社はDNAを材料にしたトランジスタを試作した。サケの精子からとりだした鎖状の分子であるDNAを台の上に広げ、通常のトランジスタと同じく、両端と中央に3つの電極を取り付けた。大きさは10ナノ程度の電極幅であり、最先端ICの線間90ナノでは実現不可能な極小の計算回路ができる。 実現すると現在のスパコンが手のひらサイズとなるらしい。

 ・平成16年2月、中国の上海交通大学生命科学研究センターと中国科学院上海生命科学院栄養科学研究所はDNAコンピュータの試作に成功したと発表。 

 ・平成16年8月、物質・材質研究機構と東北大学と産業技術総合研究所は、DNAが絶縁体や半導体なる仕組みを解明した。

 ・平成16年10月、オリンパス社と東京大学、ノバスジーン社は1塩基多型(SNP)と呼ばれる遺伝子のかすかな個人差を、高速、高精度に解析することに成功した。薬の効き易さとかが判定できるとのこと。

 ・平成17年12月、産業技術総合研究所は、サケのDNAの強誘電体をメモリの材料として、強誘電性電界効果Tr FeFET型のメモリ素子をプラスチック基板上に作成した。 http://強誘電体メモリ


7 量子型: 原子や分子の重ね合わせを利用した超並列計算機。量子力学分野では、電子の位置などの物理的な状態は、複数の状態の重ね合わせとして表現され、その様々の状態を数字に当てはめ、光の照射などによる状態の変化を計算操作と考える。基本単位の量子ビットをどう長時間にわたり、保持させるかが鍵となる。

 ・ 平成12年5月、科学技術振興事業団は、東京大学今井浩先生をリ−ダ−とする量子コンピュ−タを実現するための制御機構の研究プロジェクトを決定した。

 ・ 日本電気基礎研究所の中村泰信主任は、世界に先駆け量子コンピュ−タの実現につながる個体素子の試作に成功した。これ迄の試作装置は電離ガスや液体等による原子や分子を素子として利用してきた。今回の固体素子の開発成功により量子コンピュ−タの実現が一歩、近ずいた。詳しくは、平成11年春の英国、科学雑誌ネイチャ−を参照。

 ・ 平成14年7月、富士通研究所と筑波大学は量子コンピュータの基本素子となる量子ドットの形成位置や寸法を任意に制御できるプロセス技術を世界で初めて開発したと発表。量子ビットの実現するに、半導体の量子ドット内に閉じ込めた電子スピン状態を利用。演算は、大きさの違う複数の量子ドットを20ナノから30ナノメ-ターの距離で配列し、光を当てることで行う。

 ・ 平成14年7月、電気通信大学の山口浩一先生は成膜法だけで1次元鎖状に量子ドットを配列するこに成功したと発表。量子ドットで量子計算機を構成する場合は、1次元に配列するだけでよく、安価に大面積化できる。

 ・ 平成12年8月15日、米国IBMアルマ−デン研究所は、原子と分子の動きを応用した量子コンピュ−タの試作機を開発した。 カンタムビットあるいはクビットと呼ばれる演算素子が使用され、プロセッサ−やメモリの替わりをする。今回の量子コンピュ−タは5個のハロゲン原子で構成される分子をベ−スにした5個のクビットを採用した。

 ・ 平成14年9月、科学技術振興事業団の量子もつれプロジェクト(代表山本喜久スタンフォード大教授ら)は、量子コンピュータ実現可能とする量子レジスタ-の開発にメドをつけたと発表。 量子レジスターににシリコン同位体(Si29)の核スピンを使い、これまでの最長となる0.4秒のデコヒーレンス時間、位相が揃った3000万回の振動回数を室温で達成したもの。

 ・平成16年1月、 量子コンピュータとは。 http://量子コン

 ・ 平成15年1月、 オーストラリアのインスブルック大学では、カルシュムイオンにレーザーを当ててそれぞれの状態をつくり、計算結果をだす、量子コンピュータを試作した。イオンを使えば原理が明確であり、大規模な量子コンピュータが構築できるとのこと。

 ・ 平成15年2月、 NECと理化学研究所は固体素子で初めての2量子ビットの量子絡み合い実験に成功したと発表。1999年、NECが量子重ね合わせ状態を実証した超電導単一電子対箱による1量子ビットを、今回は、静電容量で2個統合させた。 具体的には、超低温に冷やすと電気抵抗がゼロになるアルミニュムを、幅1ミクロンほどに加工した素子を2個並べた。 これは、理研フロンティア研究システムのナノサイエンスプログラムの一環で実施され、理論計算と合致した結果がでた。二つの直流ゲートとパルス電圧ゲートを持たせ、それぞれの量子ビットを単独に動作させるほか、結合した2個の量子ビットを同時に量子振動させることもできる。結果として、2量子ビット間でほぼ100%の強い量子絡み合いが発生していることを確認した。今後は素子数を100個に増やせば10の30乗の計算が瞬時に実行できる。実用まで、数十年かかる見込みだが、一挙にスパコンが進化する模様。 詳しくは、2月20日号の英国科学誌ネイチャーを参照

 ・平成15年9月、青山学院大学春山純志先生とNTT物性科学基礎研究所、科学技術振興事業団はカーボンナノチュウーブでの超電導現象の確認に成功したとは表した。 アルミナを薬品で溶かすとアルミとニオブの電極で挟まれたナノチューブができる。 これを、絶対温度0.6度の極低温まで冷却し超電導状態で現象を確認した。ナノチュウーブは電子のスピン状態を保持しやすいので、量子コンピュータの開発につながる。

 ・平成15年10月、理化学研究所とNEC社は、量子コンピュータの論理演算回路を半導体素子化し、その動作を世界で初めて確認した。

 平成16年9月、NEC社中村泰信主任研究員をNTT仙場浩一主幹研究員、オランダのデルフト大学は、回路を構成する基本素子と伝送路の接続に成功した。SQUIDを使い、回路を構成する基本素子間での情報の交信を実験で確認。

 ・平成17年4月、東芝社研究開発センターの市村厚一主任研究員は、光で駆動する量子コンピュータの新しい原理を考案した。希土類の一種であるプラセオジウムのイオンを素子に、それに光を照射して、重ね合わせ操作するという。 重ね合わせ保持時間は、超伝導素子形に比べ約4000万倍の82ミリと長くなった。

 ・平成17年5月、理化学研究所と米コロンビア大学、米ブルックヘブン国立研究所は、10テラの量子色力学の専用計算機を開発した。 クオークやグルーオンの力学計算用として、加速器の実験Data解析用いる。

 ・平成17年5月、NEC社は、原子移動型金属スイッチ「Atom Swith」の原理を使ったナノスケールの超小型スイッチ「NanoBridge]を研究開発していることを明らかにした。 これは物質・材料研究機構ナノマテリアル研究所、青野正和所長との研究成果「新しい量子効果スイッチの機能素子化」(科学技術振興機構の戦略的創造研究事業プロジェクト)からの原理を応用した由。

 ・平成17年7月、東京大学樽茶清悟先生と科学技術振興機構は、量子力学的に結合した2個の電子を1個づつ、正確に制御可能な超高速な基本素子を開発した。
 
 ・平成17年7月、理化学研究所と科学技術振興機構は、カーボン・ナノチューブに閉じ込めた電子が、自然界に存在する電子と同様に振舞うことを実験により確認した。これを量子ビットに応用する。 http://量子ビット

 ・平成17年8月、日立ヨーロッパ社は、英Cambridge大学と共同でシリコン素子で世界初の量子コンピュータ用素子を開発したと発表。重ね合わせ保持時間も200ナノ秒と長い。 http://日立ヨーロッパ

 ・平成17年9月、東京大学小林孝嘉先生は、相関関係を持つ光子を40倍以上の高効率で大量に発生させる基礎技術を開発した。量子コンピュータの実現が待たれる。

 ・平成18年5月、NEC社、三菱電機社、東大の量子暗号システム http://暗号

 ・平成18年12月、理化学研究所のフロンティア研究システム単量子操作研究グループ デジタルマテリアル研究チームの丸山耕司先生。 http:/丸山耕司先生

 平成19年2月、 Canadaのベンチュアー企業のD-Wave Systems社は、「商用の量子コンピュータを開発」したと発表。 2007年第二四半期から納入予定。 実用化には数十年かかるとみられていた。 今年春が待ち望まれる。 素晴らしい!!。   http:/商用 http:/D Wave

 ・平成19年3月、英サウサンプトン大学とインペリアル大学は、量子コンピュータの実現に向けて英国政府から資金を受ける。 http:/英国政府l

 ・平成19年5月、NEC社、量子ビットの可変結合器を開発。 http://可変結合器  http:/ NEC

 ・平成21年12月 Google、量子コンピューティング分野でD-Wave社と協業。  Google社はTOP500で一番狙い?  いよいよ、Gppgle社は世界一のスパコン会社になるか?

 ・平成25年07月 米南加大、「D-Waveの量子コンピュータは本物」



8 分子型 分子エレクトロニクスの時代の到来とともに、個々の分子にて極微少スイッチやコンポ−ネントが構成できるという。シリコンでは実現できないウルトラ・スモ−ルの電子デバイスとして機能するという。これを使いメモリ回路やロジック回路をつくる。生体分子を利用するとDNAスパコンとなる。

 ・平成13年7月、米国HP社は分子エレクトロニクスの特許を取得したと発表。
 http://HP特許/

 ・ 平成14年10月、米国IBM社アルマ-デン研究所のDon Eiger氏らは、分子カスケード型の世界最小の演算回路を試作したと発表。
超高真空で極低温STMで、銅表面に3つで1組のCO分子を山形に配置した精密パターンを配置すると、中央の分子の外側への動きにより、自然に分子が再配置されるという現象を発見した。この現象に沿った精密パターンは、一つの分子を動作させると、付近の分子が分子カスケードを起こす。倒れた分子を情報「1」、倒れていない分子を「0」と規定し、倒れた分子パターンから演算結果を求めるもの。 ナノスケールの回路を分子で回路構成し、実際に演算したのは世界初で、分子エレクロトニクスを具体的に実現した画期的出来事

 ・平成15年5月、米国IBM社は世界最小の固体発光素子を開発したと発表。世界初の電気制御(電圧)による単一分子発光という画期的研究により、分子素子の研究が急速に発展するという。これは、カーボン・ナノチュ-フにも応用できるという。

 ・平成17年2月、米国HP社はTrとは異なる原理で動作する分子サイズ・スイッチング回路「crossbar latch」を発表。現在のTr技術ベースの製品群ににとって替わるか?詳しくは、2月1日付け科学雑誌「Journal of Applied Physics」参照。
 http://HP社分子エレ
 http://mediHP.Mol 
 http://HP.molc

・平成21年3月、 量子コンピュータに向けた分子デバイスを欧州の研究チームが開発、量子ドットを機械的に操作。 量子コンピューター

・平成24年10月  量子コンピュータの先駆けにノーベル物理学賞


9. 専用型スパコン 計算頻度の高い特定固有計算の演算をLSI化して、超高速演算を行う。 頻度の少ない複雑な計算は市販のCPUに任せる。 言うならば、演算計算サブル−チン・ソフトがLSI化され、しかも、 パイプラインされ、演算LSIの個数を増やすことで、演算速度は個数に比例してスピ−ドアップできる。 欠点は、その特定計算しか実行しないことだが、コストは汎用型に比べ圧倒的に安く、また、並列コンピュ−タに比べ、並列演算プログラミングが楽。 この専用型は、駒場にある東京大学教養学部宇宙地球科学教室(現、広域科学)で実用化されたGRAPEマシンが有名。

   専用スパコンは過去に色々と製品がでていますが、残念ながら商品化されものは少ない。
   また商品化されても普及されずに消え去ったスパコンが多い。



10. GPU型スパコン 画像処理用Processerの演算能力をを活用。

 ・平成18年11月、米NVIDIA社はGeForce8800(G80)を発表および販売開始した。驚くほど革新的で500Gflopsを超える浮動小数点演算を実行する。これはCell Broadband Engineの約2倍。 GPUスパコンの道がひらけるかも? http:GPUスパコン  http:/No1 上位モデルG80 GTXが599ドル。下位のG80 GTSが440ドル。
 続き http:/No2    http:/No3

 ・平成18年11月、プロメテック社から従来の格子法による流体解析の限界を打破する、世界初の粒子法流体解析「FLUIDSISTA」 http:粒子法

 ・平成19年6月、NVIDIA社のG80ベースのGPU「Tesla」 ピーク速度は518Gflops http:/ Tesla http: NO2

 ・平成19年11月、GPUが汎用機? GPU

 ・平成20年3月、普及するNVIDA社GPUスパコン。 GPUスパコン

 ・平成20年3月、汎用計算でGPU利用が本格化か? C言語開発環境が普及に後押し。 普及

 ・平成20年3月、マルチGPUによる粒子法解析。 粒子法

 ・平成20年6月、Nvidia社がIntel社に反撃? 反撃
           Nvidia社のTelsaスパコンの新製品 新製品

 ・平成20年6月、 GeForce8800が高等な「トリック」である理由。 トリック

 ・平成20年6月、CPUとグラフィックチップの違い

 ・平成20年6月、グラフィックチップが牽引するパーソナル・スーパーコンピュータの可能性  可能性

 ・平成20年11月、 東京工業大学のGPUスパコン。 NVIDIA

 ・平成20年11月、 NEC社は、NVIDIA社GPUをスパコンに組込み世界市場で販売。 GPUスパコン  NEC社News

 ・平成22年11月 「MATLAB」の関数がGPUを用いた並列計算処理に対応

 ・平成23年04月 「GPGPU」の可能性を探る

 ・平成23年07月 ARMがGPUコアのロードマップを発表,消費電力が同じで500倍の処理能力の提供を目指す