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余剰コアを活用する高性能計算・データ解析支援

研究課題

研究課題/領域番号 20H00580
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

塙 敏博  東京大学, 情報基盤センター, 教授 (30308283)

研究分担者 下川辺 隆史  東京大学, 情報基盤センター, 准教授 (40636049)
星野 哲也  名古屋大学, 情報基盤センター, 准教授 (40775946)
三木 洋平  東京大学, 情報基盤センター, 助教 (70734375)
伊田 明弘  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(地球情報科学技術センター), 主任研究員 (80742121)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)
2022年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
2021年度: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)
2020年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
キーワード高性能計算 / メニーコア / 余剰コア / MPI / GPU / OpenMP / 非同期IO / メニーコアプロセッサ / プロファイリング / メニーコア・マルチコアプロセッサ / 計算科学 / 並列処理 / 電力制御
研究開始時の研究の概要

近年のCPUの性能向上は,チップ内コア数の増加によって支えられているが,計算パターンによっては全コアを使うと却って性能を低下させる場合もあり,そのような場合には多くのコアを敢えて使わずに残すことになる。本研究提案では,そのような「余剰コア」に 対して,CPUで実行している主計算を支援する役割を与えることで,システム全体の性能改善や,電力制御,付加機能を低オーバヘッドで実現することを目的とし,ユーザレベルで支援機能を制御するためのフレームワーク "UTHelper"を開発する。さらに,実際のスーパーコンピュータ上でUTHelperを用いてアプリケーションに適用し,有効性を実証する。

研究成果の概要

本研究では,高性能計算の性能向上に直接寄与しない「余剰コア」に対し,CPUで実行している主計算を支援する役割を与えることで,システム全体の性能改善や,電力制御,プロファイリング機能などの付加機能を低オーバヘッドで実現することを目的とし,ユーザレベルでそのような支援機能を実現するフレームワーク“UTHelper”を検討した.
その結果,ユーザプログラムに手を加えず実行中プロファイリングや並列度変更の実現,余剰コアを用いたIn Situ解析,動的コア割当を用いた負荷分散均衡化による格子H行列演算の高速化,余剰コアを用いたGPU間通信高速化,時空間ブロッキングによる遊休演算器の活用などを実現した.

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年の高性能計算システムにおいてCPUのコア数が増加し続けているが,全コアを使うのが最善だと誤解されることも多く,実際には消費電力や放熱,メモリバンド幅等の観点でコアをあえて使用せず残した方がよい場合がある.つまり「余剰コア」が生じる.本研究では,いくつかの実アプリケーションに対し,これらの余剰コアを補助的に用い,主計算を支援することによって,全体として性能向上を実現できることや,性能を落とさずに付加機能を実現できることを実例として示すことができた.

報告書

(5件)
  • 2023 研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (19件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Algebraic Partition Construction Method for Hierarchical Matrices2024

    • 著者名/発表者名
      Ida Akihiro
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 60 号: 3 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1109/tmag.2023.3305333

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimize Efficiency of Utilizing Systems by Dynamic Core Binding2024

    • 著者名/発表者名
      Kawai Masatoshi、Ida Akihiro、Hanawa Toshihiro、Hoshino Tetsuya
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region Workshops

      巻: - ページ: 77-82

    • DOI

      10.1145/3636480.3637221

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pipelined task control using OpenMP2024

    • 著者名/発表者名
      Tianya Wu, Toshihro Hanawa
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告(ハイパフォーマンスコンピューティング)

      巻: 2024-HPC-193 (29) ページ: 1-7

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Decoupling of Simulation on Heterogeneous Clusters Using WaitIO2024

    • 著者名/発表者名
      Wenrui Mai, Toshihiro Hanawa
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告(ハイパフォーマンスコンピューティング)

      巻: 2024-HPC-193 (23) ページ: 1-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] NVIDIA H100 PCIeおよびAMD MI210におけるN体計算コードの性能評価2023

    • 著者名/発表者名
      三木 洋平, 塙 敏博
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告(ハイパフォーマンスコンピューティング)

      巻: 2023-HPC-190 (28) ページ: 1-13

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Dynamic Core Binding for Load Balancing of Applications Parallelized with MPI/OpenMP2023

    • 著者名/発表者名
      Kawai Masatoshi、Ida Akihiro、Hanawa Toshihiro、Nakajima Kengo
    • 雑誌名

      Proc. of Intl. Conf. on Computational Sci. 2023

      巻: - ページ: 378-394

    • DOI

      10.1007/978-3-031-36024-4_30

    • ISBN
      9783031360237, 9783031360244
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 複数GPUでの埋め込み境界-格子ボルツマン法の計算の最適化と性能モデルの構築2023

    • 著者名/発表者名
      畠山 昂, 下川辺 隆史
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告(ハイパフォーマンスコンピューティング)

      巻: 2023-HPC-188 (17) ページ: 1-8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] oneAPIを用いた様々なデバイス上でのステンシル計算の実装2023

    • 著者名/発表者名
      佐久間 大我、下川辺 隆史、大森 拓郎
    • 雑誌名

      第28回計算工学講演会

      巻: 28 ページ: 716-718

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Accelerating lattice Boltzmann method simulation with GPU computation using C++ standard language parallelism2023

    • 著者名/発表者名
      Ziheng Yuan, Takashi Shimokawabe
    • 雑誌名

      第28回計算工学講演会

      巻: 28 ページ: 725-729

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Solving Block Low-Rank Matrix Eigenvalue Problems2022

    • 著者名/発表者名
      Ida Akihiro
    • 雑誌名

      Journal of Information Processing

      巻: 30 号: 0 ページ: 538-551

    • DOI

      10.2197/ipsjjip.30.538

    • ISSN
      1882-6652
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 対称ブロック低ランク行列の固有値問題解法2022

    • 著者名/発表者名
      伊田 明弘
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告(ハイパフォーマンスコンピューティング)

      巻: 2022-HPC-185 () ページ: 1-8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] 複数GPUを用いる際の埋め込み境界-格子ボルツマン法の性能向上2022

    • 著者名/発表者名
      畠山 昂, 下川辺 隆史
    • 雑誌名

      第27回計算工学講演会論文集

      巻: 27 ページ: 975-980

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] OpenMP Offloadingを用いたGPUでの格子ボルツマン法実行における性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      大森 拓郎, 下川辺 隆史, 朝比 祐一
    • 雑誌名

      第27回計算工学講演会論文集

      巻: 27 ページ: 981-986

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Large-scale earthquake sequence simulations on 3-D non-planar faults using the boundary element method accelerated by lattice H-matrices2022

    • 著者名/発表者名
      Ozawa So、Ida Akihiro、Hoshino Tetsuya、Ando Ryosuke
    • 雑誌名

      Geophysical Journal International

      巻: 232 号: 3 ページ: 1471-1481

    • DOI

      10.1093/gji/ggac386

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimizations of H-matrix-vector Multiplication for Modern Multi-core Processors2022

    • 著者名/発表者名
      Hoshino Tetsuya、Ida Akihiro、Hanawa Toshihiro
    • 雑誌名

      2022 IEEE International Conference on Cluster Computing (CLUSTER)

      巻: 2022 ページ: 462-472

    • DOI

      10.1109/cluster51413.2022.00056

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 余剰コアを活用したOpenMP TaskによるIn-situ解析の実現2022

    • 著者名/発表者名
      赤沢 龍哉, 塙 敏博, 三木 洋平
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング

      巻: 2022-HPC-183 ページ: 1-10

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] A64FXにおけるテンポラルブロッキングの実装と性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      星野哲也, 塙敏博
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング

      巻: 2021-HPC-178 ページ: 1-8

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] 余剰コアの活用に向けた実行中プロファイリング手法の検討2020

    • 著者名/発表者名
      工藤純,塙敏博
    • 雑誌名

      情報処理学会研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング

      巻: 2020-HPC-177 (7) ページ: 1-8

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] 不均一なコア割付による動的負荷分散手法の検討2020

    • 著者名/発表者名
      河合 直聡, 伊田 明弘, 中島 研吾
    • 雑誌名

      日本応用数理学会2020年年会講演予稿集

      巻: - ページ: 1-2

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Accelerating Lattice Boltzmann method with C++ standard language parallel algorithm2024

    • 著者名/発表者名
      Ziheng Yuan and Takashi Shimokawabe
    • 学会等名
      International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPCAsia) 2024 (poster)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] N体シミュレーションコードのGPU実装 --これまでとこれから--2023

    • 著者名/発表者名
      三木 洋平
    • 学会等名
      シミュレーション天文学のこれまでとこれから -ハードウェア・アプリケーション・サイエンス-
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Accelerating lattice Boltzmann method with GPU and C++ standard parallelization2023

    • 著者名/発表者名
      Ziheng Yuan, Takashi Shimokawabe
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimizations of H-matrix-vector Multiplication for Modern Multi-core Processors2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hoshino, Akihiro Ida, Toshihiro Hanawa
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimizations of H-matrix-vector Multiplication for Modern Multi-core Processors2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hoshino, Akihiro Ida, Toshihiro Hanawa
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AMD製GPU・NVIDIA製GPU両対応direct N-body codeの実装と性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      三木 洋平, 塙 敏博, 河合 直聡, 星野 哲也
    • 学会等名
      日本天文学会 2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Performance Optimization Of Lattice Boltzmann Method On A64FX2022

    • 著者名/発表者名
      Takuro Omori, Takashi Shimokawabe
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance improvement of immersed boundary-lattice Boltzmann method on multiple GPUs2022

    • 著者名/発表者名
      Akira Hatakeyama, Takashi Shimokawabe
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Evaluation of Dynamic Core Binding Library with H-matrix Application2022

    • 著者名/発表者名
      Masatoshi Kawai, Akihiro Ida
    • 学会等名
      2022 Conference on Advanced Topics and Auto Tuning in High-Performance Scientific Computing
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] メニーコアシステムにおける余剰コア有効利用に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      塙 敏博
    • 学会等名
      第28回 自動チューニング研究会オープンアカデミックセッション(ATOS28)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Multi-GPU computing of moving boundary flow using lattice Boltzmann method2022

    • 著者名/発表者名
      Akira Hatakeyama, Takashi Shimokawabe
    • 学会等名
      International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPCAsia) 2022, poster
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] UT-Helper: Support for Utilizing Unused cores

    • URL

      https://www.cc.u-tokyo.ac.jp/en/public/sc22.php

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 次世代スパコンに向けた演算加速・利用者支援

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=Q5xqOzpKXW0

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] SuperComputing 2020

    • URL

      https://www.cc.u-tokyo.ac.jp/public/sc20.php

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2025-01-30  

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