PCCC20 富士通株式会社「未来を引き寄せる力スーパーコンピュータ」

スーパーコンピュータ「富岳」と今後の展開
富士通株式会社
Copyright 2020 FUJITSU LIMITED0
PCCC20 「HPCシステム最前線」
会員展示資料（出展テーマ1）

*Formerly known as Post-K
PRIMEHPC FX10
PRIMEHPC FX100
スーパーコンピュータ「京」から「富岳」へ
◼ スーパーコンピュータ「京」は 7年間の稼働ののち、 2019年8月に運用を停止
◼ スーパーコンピュータ「富岳」は2020年5月に出荷を完了し、
2021年度からの共用開始に向けてソフトウェアの整備中
◼ 富岳テクノロジPRIMEHPC FX1000, FX700の出荷、HPEへCPU A64FX供給を開始
© RIKEN
Copyright 2020 FUJITSU LIMITED
No.1(2017) No.1(2018)Finalist(2016)
Ranked Top500 No.1 in 2011
Competitive in various fields
スーパーコンピュータ「京」
PRIMEHPC
FX1000/FX700
© RIKEN© RIKEN
スーパーコンピュータ
「富岳」
1

システム仕様
「富岳」のスペックとベンチマーク達成性能
「京」, SPARC64 VIIIfx 「富岳」, A64FX
命令セット SPARC-V9 HPC-ACE Armv8.2-A SVE 512bit
倍精度演算ピーク性能 11.28 Petaflops 537 Petaflops
半精度演算ピーク性能 - 2.15 Exaflops (半精度)
総メモリバンド幅 5.64 PB/s 163 PB/s
インターコネクト Tofuインターコネクト TofuインターコネクトD
TOP500性能 (Petaflops) 10.51 (2011.6/2011.11: 1位） 415.53→ 442.01(2020.11: 1位)
HPCG性能 (Petaflops) 0.6027(2016.11~2017.11: 1位) 13.36→ 16.00 (2020.11: 1位)
HPL-AI性能 (Exaflops) ー 1.42→ 2.00 (2020.11:1位)
Graph500(TTEPS) 31.302(2014~2019.6: 1位) 70.98→ 102.95 (2020.11: 1位)
SC20
• TOP500（LINPACK ベンチマーク)：スパコンの標準性能指標、理工学で一般的な線型方程式(密行列)を解く速度を測定
• HPCG : より実アプリ性能に近い評価を目指しているベンチマーク指標、反復法（CG法）で、疎行列の線型方程式を解く速度を評価
• HPL-AI：半精度（16ビットの浮動小数点）演算を活用して線型方程式を解く速度を評価（半精度演算はAI系で多用される演算）
• Graph500: ビッグデータ処理等の性能を評価する。整数演算、メモリアクセス速度などをグラフの探索速度で評価する
2

TOP500 「京」から「富岳」への1位の変遷
◼ 「富岳」と「京」比較すると。。。
◼ Linpack性能（Rmax）は約42倍に向上
◼ 消費電力は僅か約2.4倍の増加（「京」：12.66MW、「富岳」：29.90MW）
◼ 80%以上の演算効率を維持（TofuインターコネクトD, MPI, ジョブ管理, 高信頼ハード）
ノード数と実行効率
System # of nodes HPL eff Interconnect
Fugaku (富岳) 158,976 82.28% TofuD
Summit 4,356 74.01% Infiniband
SunwayTaihuLight 40,960 74.15% Custom
Tianhe-2 16,000 61.68% Custom(Fat tree)
Titan 18,688 64.88% Gemini
Sequoia 98,304 81.09% Custom(5D torus)
K computer (京) 88,128 93.17% Tofu
10,51PF, 12.66MW
442.01PF, 29.90MW
Rmax
PerformanceperKcomputer(logscale)
3

◼ フラッグシップスパコンでは消費電力あたりの性能(GF/W)を高める事が、
施設の電力制約を克服するためにも重要
◼ 省電力が実現できないと、
性能を上げられない
GF/W
Rmax
4

◼ フラッグシップスパコンでは消費電力あたりの性能(GF/W)を高める事が、
施設の電力制約を克服するためにも重要
◼ 省電力が実現できないと、
性能を上げられない
◼ 近年、GF/Wを高めるために、ア
クセラレータ（GPGPU等）の利
用が盛ん
#ofcores
Rmax
GF/W
CPUコア数
アクセラレータコア数
5

TOP500 1位の変遷と「富岳」の設計方針
#ofcores
Rmax
GF/W
CPUコア数
アクセラレータコア数
◼ 「富岳」では、アプリケーション開発のしやすさと、適用領域の広さを目指し、
アクセラレータに頼らず、CPU性能を高める道を選択
アクセラレータ CPUのみ
GF/Wの改善容易難しい
アプリの開発難しい容易
アプリの適用領域狭い広い
「富岳」の選択
6

TOP500 1位の変遷と「富岳」の設計方針
◼ 4冠の達成
◼ TOP500 #1, HPCG #1, HPL-AI #1, Graph500 #1
HPCG number of Tianhe-2A is not published
アクセラレータ CPUのみ
GF/Wの改善容易難しい
アプリの開発難しい容易
アプリの適用領域狭い広い
「富岳」の選択
HPCG
アクセラレータコア
CPUコア
# of CPU cores
# of accelerator cores
#ofcores
Rmax
GF/W
7

HPCGの性能と効率（@SC20）
◼ Symmetric Gauss-
Seidelループ分割最
適化*
◼ Tofu 6方向同時通信
による袖領域の通信
◼ Tofuのリダクション通信
のハードウェアサポート
Peak performance [Tflops][*] http://www.hpcg-benchmark.org/downloads/sc16/HPCG_on_the_K_Computer.pdf
Fractionofpeak(Efficiency)
HPCGperformance[Tflops]
Fugaku
Summit
Fugaku
Plasma Simulator
SX Aurora
◼ 「富岳」の演算効率は約 3% で他に比べ高い
8

「富岳」の省電力性（TOP500@SC20）
◼ 電力あたり計算性能（GF/W）：アクセラレータ有、アクセラレータ無
• A64FXのGF/Wは、他の
CPUに比べて3倍良い
• 最新のACCに比べると6割
A64FX prototypeFugaku
Selene(NVIDIA) MN-3 (Preferred Networks, Japan)
TOP500 rank
Powerefficiency[GF/W]
JUWELS Booster Module (Atos)
Spartan2 (Atos)
NVIDIA DGX SuperPOD (NVIDIA)
最新のACCとの差
他のCPUに対して3倍の効率
9

[TOP500]スパコン性能トップ10（2020年11月）
◼ TOP500より (1993年よりスパコン性能上位500サイトのリストを6月と11月に公開) https://www.top500.org/
順位システム名設置サイト国名開発ベンダープロセッサアクセラレータ
性能
(PFlops)
1 Supercomputer Fugaku RIKEN Center for Computational Science Japan Fujitsu A64FX - 442.0
2 Summit DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory United States IBM IBM POWER9 NVIDIA V100 148.6
3 Sierra DOE/NNSA/LLNL United States
IBM / NVIDIA /
Mellanox
IBM POWER9 NVIDIA V100 94.6
4 Sunway TaihuLight National Supercomputing Center in Wuxi China NRCPC Sunway SW26010 - 93.0
5 Selene NVIDIA Corporation United States NVIDIA AMD EPYC NVIDIA A100 63.5
6 Tianhe-2A National Super Computer Center in Guangzhou China NUDT Intel Xeon E5 Matrix-2000 61.4
7 JUWELS Booster Module Forschungszentrum Juelich Germany Atos AMD EPYC NVIDIA A100 44.1
8 HPC5 Eni S.p.A. Italy Dell Intel Xeon Gold NVIDIA V100 35.5
9 Frontera
Texas Advanced Computing Center/Univ. of
Texas
United States Dell
Intel Xeon
Platinum
- 23.5
10 Dammam-7 Saudi Aramco Saudi Arabia HPE Intel Xeon Gold NVIDIA V100 22.4
10

国別スーパーコンピュータ数(TOP500の内訳)
United
States
United
Kingdom
France China Germany Japan Russia Sweden Italy Canada
New
Zealand
2010 Jun 282 38 27 24 24 18 11 8 7 7 7
2020 Nov 113 12 18 213 18 34 2 2 6 12 0
0
50
100
150
200
250
300
サイト数
113
34
データ出典：https://top500.org/
213
282
24
18
11

国別スーパーコンピュータ性能(Rmax [TFlop/s])
United
States
Japan China Germany France Italy
Saudi
Arabia
United
Kingdom
Canada
Switzerla
nd
Rmax [TFlop/s] 668,704.3 593,700.1 565,318.6 133,945.8 89,828.3 78,529.0 35,997.0 34,067.5 26,698.1 26,215.4
0.0
100,000.0
200,000.0
300,000.0
400,000.0
500,000.0
600,000.0
700,000.0
800,000.0
性能(Rmax[TFlop/s])
594PF
565PF
669PF
12

ベンダ別スーパーコンピュータ性能(Rmax [TFlop/s])
Fujitsu Lenovo IBM HPE
Cray/HP
E
Atos Inspur
IBM /
NVIDIA /
Mellanox
Dell EMC Nvidia
Rmax [TFlop/s] 525,854.9 356,727.5 206,397.1 195,618.6 161,491.3 161,191.3 129,755.3 112,840.0 100,435.7 95,159.0
0.0
100,000.0
200,000.0
300,000.0
400,000.0
500,000.0
600,000.0
性能(Rmax[TFlop/s])
357PF
206PF
526PF
13

「富岳」の技術的な新機軸と特長
◼ スマホやIoT機器で広く使われているArmアーキテクチャを採用したCPU「A64FX」を自社設計・開発
◼ OSはサーバ等で広く使われているRed Hat Enterprise Linux (RHEL 8)を採用
◼ Armのスパコン向け命令セットSVEを世界初実装、リードパートナーとしてArm社のSVE開発にも協力
• 京の4倍の処理能力を持つ演算器(512-bit SIMD)、AIで活用されている半精度演算(FP16)を実装
◼ 大量・高速に演算器にデータ供給できる積層メモリHBM2を汎用CPUでは世界で初めて採用
◼ 大規模での同時並列処理を可能とするTofuインタコネクトD採用(「京」のTofuをエンハンス)
◼ CPU/システム/ソフトウェアの一体開発による巨大システムの安定稼働、稼働率向上の実現
◼ 電力抑制機能のハードウェア実装とソフトウェアによる効率的な制御
◼ 富士通のCPU設計技術と最先端半導体を組合せ、世界トップクラスの優れた電力性能を実現
アプリケーションの高速化：最先端技術の採用
省電力性・高信頼性の実現：ハードウェア～ソフトウェアまで自社開発
使いやすさや広がり：業界標準の採用
14

「富岳」と富士通の商用スーパーコンピュータ
◼ 「富岳」に採用したCPU「A64FX」を搭載した２種類のスパコン製品をラインアップ
FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC
PRIMEHPC FX1000
超大規模システム向けの
スーパーコンピュータ
• 384ノード/ラック
• 水冷
• TofuインターコネクトD
• 富士通製ソフトスタック
PRIMEHPC FX700
スタンダード技術をベースと
した導入しやすいモデル
• 8ノード/2Uシャーシ
• 空冷
• InfiniBand
• OSS/商用ソフトを活用
理研と共同開発
• 15万ノード以上
• 水冷
• TofuインターコネクトD
• 富士通製、理研製ソフトスタック
© RIKEN© RIKEN
「富岳」
15

Oct. 2020
Updatedx86
A64FXの計算速度と省電力性（OSS実アプリ）
◼ 同一コア数での比較で、A64FX*は
最新のx86 CPU*と比較して、
◼ 計算速度で～1.9倍
◼ 省電力性で～4.8倍
＊ A64FX： 48コア×1CPU(2.2GHz)
x86 CPU： 24コア×2CPU(2.9GHz)
◼ 高い性能倍率を以下により実現
◼ HPC向けに強化したマイクロアーキテク
チャ
◼ 省エネルギーを意識した設計と実装
x86 CPU x2に対するA64FX x1の性能倍率
流体解析
構造解析
第一原理計算
第一原理計算
地震伝搬解析
領域気象モデル
全球気象モデル
計算速度
省電力性
16

商用アプリケーションの拡大
◼ ISV各社と協同し、商用アプリのFX1000対応に取り組んでいます。
バイナリ―互換のFX700と富岳にも対応します。
提供予定研究開発中
Copy right 2020 FUJITSU LIMITED
**スライド内の全てのアプリケーション名は、各ベンダーの商標または登録商標です。製品は各ベンダーからの提供になります。LS-DY NA、scFLOW、Marcは、富士通からも提供可能です。
化学分野*
（2020年11月現在）
(by )
Ansys Fluent
(by )
scFLOW
VASP
Amber
(by Gaussian, Inc.)
Gaussian16
(by AlliedEngineeringCo.)
(by Convergent Science) (by ENGYS Ltd. & VINAS Co., Ltd.)
(by Siemens IndustrySoftwareInc.)
Simcenter STAR-CCM+
(by JSOL Corporation)
(by )
LS-DYNA
(by FujitsuLimited)
Poynting
(by ESI Group)
VPS (PAM-CRASH)
(by AltairEngineering, Inc.)
Altair Radioss™
(by )
Marc
エンジニアリング分野 (構造解析、流体解析、エレクトロニクス)
Chemistry*
20年4Qから
提供予定
20年10月
から提供
FX1000向け
に提供済み
*協力：オーストラリア国立大学
17

AArch64向けOSSのSpackパッケージ
◼ 理研と共同でOSSの
aarch64向け対応を
行い、Spackに集約
◼ x86_64と同レベルの
3000以上のOSSの
ビルドがA64FXでもビ
ルド可能
https://postk-web.r-ccs.riken.jp/oss/public/ captured on Dec. 3th
, 2020
Time # of pkgs Fujitsu compiler
@a64fx
GCC@a64fx GCC@ x86_64
SC19 3,451 2,072(60%) 2,387(69%) 2,479(72%)
Dec 2020 5,017 3,657(73%) 3,883(77%) 4,011(80%)
最新の確認結果はWebで公開中
18

スーパーコンピュータが支える社会課題の解決
過去
将来
～スーパーコンピュータ～
【データ解析】
• AI(Deep Learning)
• ビッグデータ
：
シミュレーションとデータ解析の両輪で、スパコンは社会課題の解決やDXを支えるインフラとして利用が拡大
現在
【シミュレーション】
• 流体シミュレーション
• 衝突シミュレーション
• 材料シミュレーション
：
～スパコンを活用したイノベーションが期待される分野例～
SDGsの
目標
具体的分野ライフサイエンス防災・環境ものづくりエネルギー
Copyright 2020 FUJITSU LIMITED19

スーパーコンピュータ「富岳」成果創出加速プログラム（例）
◼ テーマ
◼ 「大規模データ解析と人工知能技術によるがんの
起源と多様性の解明」
◼ 研究代表者
◼ 東京医科歯科大学M&Dデータ科学センター
センター長宮野悟特任教授
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2020/11/10.html
2011年の
ネットワー
ク分析で
解明でき
た範囲
20

グローバル展開の取り組み
◼ 製品の販売実績
◼ PRIMEHPC FXシリーズ
• GENCI（仏）
• レーゲンスブルク大学（独）
• サンディア国立研究所（米）他
◼ HPE社による、A64FX搭載のスパコンHPE Apollo 80
• ライプニッツ・スーパーコンピュータ・センター（独）
• ブリストル大学（英）
• ロスアラモス国立研究所（米）他
◼ 海外の先端研究機関との連携
◼ 共同研究開発の実施
• Barcelona Supercomputing Center（スペイン）
◼ 評価環境の提供
• Jülich Supercomputing Centre（独）、EPCC（英）、他
FX1000PRIMEHPC FX700
HPE Apollo80 System
A64FXのArm SVEを活かした
アプリ評価とエコシステム開発
21

まとめ
◼ 富士通が40年に渡って培った、ハードウェアからソフトウェアにいたるスパコン技術を全
て結集することで、巨大システム「富岳」の実現に貢献
◼ 「富岳」の高いアプリケーション性能を目指した設計と実装により、多くのベンチマークラ
ンキングで首位を2020年6月から2期連続で獲得
◼ 「富岳」の世界最高速の性能は、高いシミュレーション・AI処理能力が必要となる、
Society 5.0の実現に貢献できると期待
◼ COVID-19対策に向けた先行利用の取り組み、がんの起源と多様性の解明等
◼ 「富岳」で採用した技術をグローバルにビジネスに展開中（PRIMEHPC、A64FX）
富士通はスパコンの生み出す成果を通じて、豊かで夢のある未来を世界中の人々
に提供することを目指します。デジタル時代を迎え、高いシミュレーション・AI処理能
力を有するスパコンは、より一層、様々な分野での活用が拡がると考えています。
22

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