2016 Fiscal Year Research-status Report
データフローアーキテクチャ方式超高性能マイクロ波シミュレーション専用計算機の開発
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15K06008
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
川口 秀樹 室蘭工業大学, 工学研究科, 准教授 (90234046)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ハイパフォーマンスコンピューティング / マイクロ波シミュレーション / リコンフィグラブルコンピューティング / 専用計算機 / データフローアーキテクチャ / FPGA / FDTD法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイパフォーマンスコンピューティング（ＨＰＣ）技術の一つの可能性として専用計算機の方法を検討してきた． とりわけ，ＣＡＤ搭載のパソコンのような製品開発環境に直結し，実用的に利用可能なポータブルＨＰＣ技術の確立を目途し，マイクロ波シミュレーションをターゲットとしたＦＤＴＤ法専用計算機の開発を行ってきた．ＦＤＴＤ法に潜在する並列処理性を最大限に生かし従来機を大きく上回る性能を実現すべく，データフローアーキテクチャ方式の計算機システムを提案し，その上で，専用計算機という方法の最大の課題の一つである，柔軟に様々な数値モデルを取扱えるようにする機能の実現をめざし，複雑なモデル形状，任意の媒質・吸収境界条件分布の設定を可能にする設計が行われた．
そして，実用化のための専用計算機方式のもう一つの大きな課題である大規模問題の取扱いを実現するため，研究計画中間年度のタスクとして，領域分割法により計算する機能の実装を検討した．ＦＤＴＤ法の領域分割計算を専用計算機で実現するには，大別し，
・計算機システムを複数のＬＳＩをＩ／Ｏピンを介し直結し構成し，個々のＬＳＩに一つのサブ領域の計算を担当させ連動並列処理で計算する．
・計算機システムは原則単体のＬＳＩで構成し，逐次，処理するサブ領域との接続を切換えることにより一つのＬＳＩで領域分割計算を実現する．
の２方式が考えられる．前者は，複数ＬＳＩで並列処理するためより高い計算性能が望める一方で，決められた以上のサイズの数値モデルは扱うことができないという問題があり，それに対し，後者の方式は，原則計算性能は単体ＬＳＩのもの以上には向上せず，さらにサブ領域間でのデータ交換機能が非常に複雑な回路になることが予想されるものの，さまざまな領域サイズに柔軟に対応できるという利点があり，実用的な観点から本研究計画ではこの後者の方式を採用しこれをベースに進めることとした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究計画全体として最も大きな課題の一つであった，データフローアーキテクチャの専用計算機において，どのようにして大規模問題を計算できる機能を実装するかに関する検討を本格的に実施した． 現存の最もハイエンドＦＰＧＡですら使用可能な回路規模は数メガロジックエレメントであり，これは，本研究で開発しているデータフローアーキテクチャ回路に換算して，高々概ね２０×２０グリッド程度しか搭載できないことになるため，限られたＬＳＩのハードウェアリソースで大規模計算を実現するには，領域分割計算の機能を実装させる必要があり，計算するサブ領域を順次切替えるなどの複雑な処理をホストからの指示がなくてもＦＰＧＡ内の回路で自動的にスケジューリングして行えるしくみを検討した． とりわけ，領域分割法に伴い付加的に生じるサブ領域間のデータ交換処理が計算全体の性能劣化につながらないよう工夫する必要があったが，交換するサブ領域境界のデータのコピーを格納しておくバッファ領域を新たに設け，これをグリッド空間の計算と連動して動作させることにより，サブ領域間のデータ交換処理に伴う付加的なクロックを完全にゼロ，すなわち，これに伴う性能劣化は一切生じない方式を考案した． また，この回路をＶＨＤＬでコーディングし論理シミュレーションで妥当な動作が行わることも確認した． これにより，ＦＰＧＡのメモリブロック容量が許す限り大規模なグリッド空間を１つのＦＰＧＡで処理できる見通しがたった．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までの進捗から，本研究計画で残された主な工程は，ＶＨＤＬにて設計した回路のＦＰＧＡへの実装および複数ＦＰＧＡでの連動動作である． とりわけ，ＦＰＧＡへの実装では，ホストＰＣとＦＰＧＡに実装された専用計算機との間のデータ転送の具体的な方法の検討とその実装が課題となる． この工程はＦＰＧＡ基板の利用における汎用的な動作でもあるため豊富な開発環境はすでに存在しており効率的に進めることができるものと考えており，可能な限り研究計画を前倒し，専用計算機による大規模計算の実現のための具体的な確信を早期に得られるよう進めていく．
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