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二目的連続最適化問題への帰着による無制約二値変数二次最適化問題の高速ソルバの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K11842
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分60090:高性能計算関連
研究機関大阪公立大学 (2022-2023)
大阪府立大学 (2020-2021)

研究代表者

藤本 典幸  大阪公立大学, 大学院情報学研究科, 教授 (90294165)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワード高性能計算 / 組み合わせ最適化 / GPGPU / QUBO
研究開始時の研究の概要

本研究で開発するソルバ(計算機プログラム)の対象問題であるQUBOは,その形式的定義が簡潔であるにもかかわらず,多くの重要な組み合わせ最適化問題を簡潔に帰着できる高い表現力を持つ.しかし,QUBOはNP困難であるため,多項式時間で厳密解が得られることは一般には期待できず,量子型・非量子型のハードウェア・アクセラレータにより近似解を現実的な時間で求める研究が最近盛んに行われている.本研究では,QUBOを制約無し二目的連続最適化問題に帰着して解く新しい解法を提案し,それを価格性能比のよい並列計算プラットフォームであるGPUを用いたGPUプログラムとして実装し,QUBOの高速求解を目指す.

研究実績の概要

本研究で開発するソルバ(計算機プログラム)の対象問題である無制約二値変数二次最適化問題(QUBO)は,その形式的定義が簡潔であるにもかかわらず,多くの重要な組み合わせ最適化問題を簡潔に帰着できる高い表現力を持つ.しかし,QUBOはNP困難であるため,多項式時間で厳密解が得られることは一般には期待できず,量子型・非量子型のハードウェア・アクセラレータにより近似解を現実的な時間で求める研究が最近盛んに行われている.
本研究では,QUBOを制約無し二目的連続最適化問題(BUCO)に帰着して解く新しい解法を提案する.さらに提案する解法を価格性能比のよい並列計算プラットフォームであるGPUを用いたGPUプログラムとして実装し,QUBOの高速求解を目指す.本研究によりQUBOが高速に解けるようになれば,多くの組み合わせ最適化問題が高速に解けるようになり,様々な実応用問題が高速に解けるようになる.本研究では群知能を活用した多点探索アルゴリズムである粒子群最適化手法を用いて二目的最適化問題を解く.研究代表者らはこれまでに様々な手法で最適化問題を解くGPUプログラムを多数開発してきており,特に2018年にはGPU1基を用いた粒子群最適化によりBUCOをCPUより最大182倍高速に解くGPUプログラムを開発した.
令和5年度は,QUBO求解に用いる粒子群最適化手法の改善に関する研究を行った.特に,粒子群最適化手法に既存手法MOEA/Dの分解というアイデアを取り込んで提案手法を改善する研究を行った.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

令和5年度は,令和4年度までに開発・改良したGPU1基を用いるQUBOソルバを複数のGPUを用いるように拡張してさらに高速化し,その性能評価と改善を行う予定であったが,複数GPUへの対応がまだ未完成であるため.

今後の研究の推進方策

令和6年度は,令和5年度までに開発・改良したGPU1基を用いるQUBOソルバを複数のGPUを用いるように拡張してさらに高速化し,その性能評価と改善を行う.

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Efficient GPU-Implementation of H-P Sort Based on Improved Histogram Computation2024

    • 著者名/発表者名
      Takase Kaito、Hagihara Takumi、Fujimoto Noriyuki、Wada Koichi
    • 雑誌名

      International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC-Asia 24)

      巻: - ページ: 134-144

    • DOI

      10.1145/3635035.3635051

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ヒストグラム計算の改善によるH-Pソートの高速化2023

    • 著者名/発表者名
      萩原 拓実, 高瀬 海斗, 藤本 典幸, 和田 幸一
    • 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(HPC)

      巻: 2023-HPC-190(24) ページ: 1-10

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 単一GPU環境におけるNumPy互換ライブラリを用いたPythonプログラミングの比較2023

    • 著者名/発表者名
      田道 竜大,藤本 典幸
    • 雑誌名

      第22回情報科学技術フォーラム(FIT)講演論文集

      巻: 第1分冊 ページ: 195-200

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] GPU におけるヒストグラム計算の改良によるHP ソートの高速化と異機種GPU における評価2023

    • 著者名/発表者名
      高瀬 海斗, 萩原 拓実, 藤本 典幸, 和田 幸一
    • 雑誌名

      第19回情報科学ワークショップ 予稿集

      巻: なし ページ: 1-10

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 整数行列積を用いた多倍長整数乗算のGPU並列化とその評価2023

    • 著者名/発表者名
      近藤伊士利, 藤本典幸
    • 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(HPC)

      巻: 2023-HPC-188 ページ: 1-7

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 全点対最短経路問題を解くSeidelのアルゴリズムのTensor Coreを用いたCUDA実装2022

    • 著者名/発表者名
      竹内 祐哉,藤本 典幸
    • 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(HPC)

      巻: 2022-HPC-183 ページ: 1-7

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Solving QUBO with GPU Parallel MOPSO2021

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Fujimoto, Kouki Nanai
    • 雑誌名

      Proc. of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO) Companion

      巻: なし ページ: 1788-1794

    • DOI

      10.1145/3449726.3463208

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficient GPU-Implementation for Integer Sorting Based on Histogram and Prefix-Sums2021

    • 著者名/発表者名
      Seiya Kozakai, Noriyuki Fujimoto, Koichi Wada
    • 雑誌名

      Proc. of the 50th International Conference on Parallel Processing (ICPP)

      巻: なし ページ: 1-11

    • DOI

      10.1145/3472456.3472486

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 小さい定数個の単精度行列への分割を用いた尾崎スキームによる倍精度行列乗算のゲーミング用GPU上での評価2021

    • 著者名/発表者名
      七井 香樹、藤本 典幸
    • 雑誌名

      情報処理学会論文誌コンピューティングシステム(ACS)

      巻: 14 ページ: 1-13

    • NAID

      170000184319

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] GPU-based Parallel Multi-objective Particle Swarm Optimization for Large Swarms and High Dimensional Problems2020

    • 著者名/発表者名
      Md Maruf Hussain, Noriyuki Fujimoto
    • 雑誌名

      Parallel Computing

      巻: 92 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1016/j.parco.2019.102589

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Efficient GPU-Implementation of H-P Sort Based on Improved Histogram Computation2024

    • 著者名/発表者名
      Kaito Takase, Takumi Hagihara, Noriyuki Fujimoto, Koichi Wada
    • 学会等名
      the International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2024)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ヒストグラム計算の改善によるH-Pソートの高速化2023

    • 著者名/発表者名
      萩原 拓実, 高瀬 海斗, 藤本 典幸, 和田 幸一
    • 学会等名
      情報処理学会第190回ハイパフォーマンスコンピューティング研究発表会(SWoPP2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 単一GPU環境におけるNumPy互換ライブラリを用いたPythonプログラミングの比較2023

    • 著者名/発表者名
      田道 竜大,藤本 典幸
    • 学会等名
      第22回情報科学技術フォーラム(FIT)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] GPU におけるヒストグラム計算の改良によるHP ソートの高速化と異機種GPU における評価2023

    • 著者名/発表者名
      高瀬 海斗, 萩原 拓実, 藤本 典幸, 和田 幸一
    • 学会等名
      第19回情報科学ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 整数行列積を用いた多倍長整数乗算のGPU並列化とその評価2023

    • 著者名/発表者名
      近藤伊士利, 藤本典幸
    • 学会等名
      情報処理学会第188回ハイパフォーマンスコンピューティング研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 全点対最短経路問題を解くSeidelのアルゴリズムのTensor Coreを用いたCUDA実装2022

    • 著者名/発表者名
      竹内 祐哉,藤本 典幸
    • 学会等名
      情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Solving QUBO with GPU Parallel MOPSO2021

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Fujimoto, Kouki Nanai
    • 学会等名
      ACM Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Methods (PDEIM)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Efficient GPU-Implementation for Integer Sorting Based on Histogram and Prefix-Sums2021

    • 著者名/発表者名
      Seiya Kozakai, Noriyuki Fujimoto, Koichi Wada
    • 学会等名
      the 50th International Conference on Parallel Processing (ICPP)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Integer sortings algorithms suitable for GPU-implementation2021

    • 著者名/発表者名
      Seiya Kozakai, Noriyuki Fujimoto, Koichi Wada
    • 学会等名
      第17回情報科学ワークショップ
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] MOPSOを用いたQUBO解法のGPU実装の改善2021

    • 著者名/発表者名
      七井 香樹,藤本 典幸
    • 学会等名
      進化計算シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] ゲーミングGPUの単精度演算器を用いた倍精度行列積の近似計算2020

    • 著者名/発表者名
      七井 香樹、藤本 典幸
    • 学会等名
      第16回情報科学ワークショップ
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] ヒストグラムと接頭辞和計算に基づく整数ソーティングのためのGPUによる効率的な実装2020

    • 著者名/発表者名
      小堺 海叶、藤本 典幸、和田幸一
    • 学会等名
      第16回情報科学ワークショップ
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Efficient GPU-Implementation for Integer Sorting Based on Histogram and Prefix-Sums2020

    • 著者名/発表者名
      Seiya Kozakai、Noriyuki Fujimoto、Koichi Wada
    • 学会等名
      情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)研究会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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