専用並列計算機による「場の物理」の研究

1994 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 06NP0601
• 研究種目: 創成的基礎研究費
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 岩崎 洋一 筑波大学, 物理学系, 教授 (50027348)
• 研究分担者: 渡瀬 芳行 高エネルギー物理学研究所, データ処理センター, 教授 (70018662) ; 中田 育男 筑波大学, 電子・情報工学系, 教授 (70133022) ; 宇川 彰 筑波大学, 物理学系, 教授 (10143538) ; 星野 力 筑波大学, 構造工学系, 教授 (30027130) ; 中澤 喜三郎 筑波大学電子, 情報工学系, 教授 (90217696)
• 研究期間 (年度): 1992 – 1996
• キーワード: 並列計算機 / 場の物理 / 疑似ベルトル機能 / RISC / ハイパークロスバ- / 並列アルゴリズム / 格子QCD / Tera FLOPS

研究概要

平成5年度までの研究成果に基づき,最高速度600GFLOPSを目標に超並列計算機のハードウエア及びソフトウエアの開発が行われた。これと共に,物理学計算の仮想ベンチマークテストを行い,計算の基本パラメターの選択に関する検討を行った。また,既存の計算機を用いて,プログラム開発,計算アルゴリズムの改良を行った。
以下に詳細を述べる。
1)実装設計を加味した超並列計算機の詳細設計の確定
・主記憶の構成と制御方式
主記憶にはDRAM素子を用いた16ウェイのマルチバンク構成を採用することにした.これにより,ノードプロセッサの擬似ベクトル処理機構を最大限活用することができる見込みである.
・キャッシュメモリの制御方式
キャッシュメモリはストアスルー方式を採用する.この方式とすることにより,キャッシュメモリと主記憶との間のデータの無矛盾性維持が容易となる.
・相互結合ネットワークにおける同期方式
同期操作を行う制御線を別に用意することで,データ転送用のネットワークを活用して同期操作を実現する方式を採用することとした.
・相互結合ネットワークにおけるデータ転送方式.
高速通信機構の転送オーバヘッドを極力抑える制御方式を採用した.
・分割運転時の制御方式
分割形態について,分割数と各分割部の大きさを決定した.また,分割運転時のデータ転送と同期操作についての制御方式の検討も行なった.
・並列プロセッサ全体の実装方式
8PU(Processing Unit)を1つの基板に搭載することにより,分散ディスクとコントローラを含め1024PU全体を8筺体程度で実装する方式を採用する方向とした.
2)システムソフトウエアの開発
・並列ファイル入出力方式
ファイル入出力を並列実行できるように,複数のノードへディスク装置を分散させ,複数のプロセスにより複数のファイルへ同時にアクセスする方式を採用した.
最適化コンパイラのアルゴリズム検討と試作
ノードプロセッサが持つ擬似ベクトル処理機構を最大限活用するための最適化コンパイラのアルゴリズムについて検討した.また,そのコンパイラの雛形の試作を行い,その有効性を確かめた.
・基本ソフトウエアの開発
OSカーネル,言語処理系,ネットワークデータ転送用ライブラリなどの設計仕様がほぼ固まり、一部はパイロットモデル機での部分的実用評価と合わせて,開発進行中である.プログラミング言語として,Fortran77とC言語の使用を予定している.またHPF(High Performance Fortran)についても,HPFからFortran77へのトランスレータを用意する予定である.
・デバッガ及び性能モニタ
デバッガ,および性能向上のための指標を与える性能モニタの仕様を検討した.
3)シミュレータの開発と性能評価
・シミュレータの開発
ノードプロセッサの擬似ベクトル処理機構,キャッシュと主記憶の構成および制御方式をシミュレートするシミュレータを開発した.
・ノードプロセッサの実効性能
シミュレータを用いて量子色力学計算における主要サブルーチンを実行した時の性能を評価した.1ノードプロセッサで実行した時,理論的なピーク性(300MFLOPS)の役65%以上の性能を達成することが確認出来た.
・パイロットモデルの基本性能評価
既に設置稼働しているパイロットモデルの基本性能を評価した.特に,ネットワーク転送のオーバヘッドとスループットに関する基本データを採取し,問題点を整理した.
4)論理設計・実装設計及び部品の試作
ノードプロセッサ及び主記憶系,並列ネットワーク部,システム制御部・入出力部,各々の論理設計及び実装設計を行い,さらに超並列計算機CP-PACSを構成するノードプロセッサ用VLSI,ネットワークボード,入出力系ボード,メモリ系サブユニット部,演算ユニットボード,システム制御ユニット,各々の部品の試作を行った.
5)物理学研究のためのソフトウエア開発
シミュレーターを用いて物理学計算の仮想ベンチマークテストを行い実効性能を評価すると共に,計算の基本パラメターの選択に関する検討を行った. また,既存の計算機を用いて,計算プログラム開発を行い準備計算を遂行した。その結果を基に,プログラムの検討,計算アルゴリズムの改良を行った

研究成果

• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Computers for Lattice Field Theories" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 78-92 (1994)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Interface tension in quenched.QCD" Phys.Rev.D. 49. 3540-3545 (1994)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Quantum chromodynamics with various number of flavors" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 314-316 (1994)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "High statistics calculations of quenched QCD spectrum using various quark sources" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 354-356 (1994)
• [文献書誌] Y.Aoki: "Interface tension in SU(3)lattice gauge theory at finite temperatures on an Nt=2lattice" Phys.Rev.D. 50. 6921-6930 (1994)
• [文献書誌] N.Ishizuka: "Operator Dependence of Hadron Masses for Kogut-Susskind Quarks on the Lattice" Nucl.Phys.B411. 875- (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Perturbative abalysis for Kaplan's lattice chiral fermions" Phys.Rev.D. 49. 2604- (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Fermion mass in the Wilson-Yukawa approach for chiral Yukawa theory" Int.J.of Mod.Phys.A9. 4565-4580 (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Charged fermion states in the quenched U(1)chiral Wilson-Yukawa model" Int.J.of Mod.Phys.A9. 4129-4148 (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Spontaneous Breaking of Flavor Symmetry and Parity in the Nambu-Jona-Lasinio model with Wilson Fermions" Phys.Lett.B331. 157- (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Finite-size effects of hadron masses in lattice QCD:a comparative study for quenched and full QCD simulations" Phys.Rev.D. 50. 486- (1994)
• [文献書誌] S.Aoki: "Finite-size effects of hadron masses with Kogut-Susskind quarks" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 363-365 (1994)
• [文献書誌] T.Onogi: "Sea quark effects on the strong coupling constant" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 492-494 (1994)
• [文献書誌] Y.Kuramashi: "η'meson mass in lattice QCD" Phys.Rev.Lett.72. 3448-3451 (1994)
• [文献書誌] Y.Kuramashi: "Lattice QCD calculation of hadron scattering lengths" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). 34. 117-122 (1994)
• [文献書誌] Y.Kuramashi: "An Exploratory Study of Nucleon-Nucleon Scattering Length in Lattice QCD" Phys.Rev.Lett.73. 2176-2179 (1994)
• [文献書誌] H.Nakamura: "Pseudo Vector Processor for High-Speed List Vector Computation with Hiding Memory Access Latency" IEEE Region 10's Ninth Annual International Conference. 338-342 (1994)
• [文献書誌] O.Tatebe: "Efficient Implementation of the Multigrid Preconditioned Conjugate Gradient Method on Distributed Parallel Computers" Supercomputing '94(IEEE). 194-203 (1994)
• [文献書誌] T.Morimoto: "Superscalar Processor Design with Hardware Description Language AIDL" Asia-Pacific Conference Hardware Description Languages(APCHDL'94). 51-58 (1994)
• [文献書誌] W.F.Wong: "Supercomputer Performance Evaluation using Six Benchmarks" IEEE Region 10's Ninth Annual International Conference. 1107-1111 (1994)
• [文献書誌] 山下義行: "ループ中に条件分岐を含む場合の最適なソフトウェア・パイプライニング" 並列処理シンポジウムJSPP'94. 17-24 (1994)
• [文献書誌] 朴泰祐: "ハイパクロスバ・ネットワークにおける転送性能向上のための手法とその評価" 並列処理シンポジウムJSPP'94. 129-136 (1994)
• [文献書誌] J.Fukue: "Cosmological Accretion Disks via External Radiation Drag" Publ.Astron.Soc.Japan. 46. 87-95 (1994)
• [文献書誌] J.Fukue: "Accretion Disks driven by External Radiation Drag-bDisks" The New Horison of X-Ray Astronomy. (1994)
• [文献書誌] M.Umemura: "Cosmological Spherical Accretion via External Radiation Drag" Publ.Astron.Soc.Japan. 46. 567-574 (1994)
• [文献書誌] T.Nakamoto: "Formation,Early Evolution,and Gravitational Stability of Protoplanetary Disks" Ap.J.421. 640-650 (1994)
• [文献書誌] T.Tsuribe: "Unsteady Disk Accretion via External Radiation Drag" Publ.Astron.Soc.Japan. 46. 579-603 (1994)
• [文献書誌] A.Ukawa: "Status of the CP-PACS Project" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] A.Ukawa: "Topics in Lattice QCD" Proceedings of INS International Symposium on Physics of High Energy Colliders. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] A.Ukawa: "Hadron Physics from Lattice QCD Viewpoint" Proceedings of the International Workshop“Chiral symmetry in hadrons and nuclei". (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] K.Kanaya: "Critical exponents of a three dimensional O(4)spin model" Phys.Rev.D. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] M.Fukugita: "Lattice QCD Solution to the U(1)Problem" Phys.Rev.D. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] M.Fukugita: "Pion-nucleon Sigma Term in Lattice QCD" Phys.Rev.D. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] M.Fukugita: "Scalar and axial vector matrix elements of proton in quenched QCD:calculation of both connected anddisconnected contributions" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] S.Aoki: "Manifestaion of Sea Quark Effects in the Strong Coupling Constant in Lattice QCD" Phys.Rev.Lett.74. 22-25 (1995)
• [文献書誌] T.Onogi: "Charmonium Spectroscopy with Heavy Kogut-Susskind Quarks" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Phase diagram of QCD at finite temperatures with Wilson fermions" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Nature of the finite temperture transition in QCD with strange quark" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] Y.Iwasaki: "Finite temperature transition in two flavor QCD with renormalization group improved action" Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.). (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] T.Nakamoto: "Growth of Protoplanetary Disks around Young Stellar Objects" Ap.J.(掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 山下義行: "時相属性文法によるグラフィカル・ユーザインターフェースの記述" コンピュータソフトウェア. 12. 76-93 (1995)
• [文献書誌] 山下義行: "ソフトウェア・パイプライニングにおける多重ループの最適化" 並列処理シンポジウムJSPP'95. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 曽根猛: "ハイパクロスバ・ネットワークにおけるvirtual channelの動的選択による適応ルーティング" 並列処理シンポジウムJSPP'95. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 中川裕之: "拡張1パス型属性文法によるコンパイラ生成系の実現" 情報処理学会論文誌. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 中田育男: "正規右辺属性文法の一提案" 情報処理学会論文誌. (掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 朴泰祐: "ハイパクロスバ網における適応ルーチングの導入とその評価" 電子情報通信学会論文誌D-I. J78-D-I. 108-117 (1995)
• [文献書誌] T.Tsuribe: "Self-Similar Spherical Accretion via External Radiation Drag" Publ.Astron.Soc.Japan. 47. 73-79 (1995)
• [文献書誌] S.Sasaki,: "Reionization of the Universe due to Early-Formed Massive Black Holes" Ap.J.(掲載予定). (1995)
• [文献書誌] 中澤喜三郎: "VLSIシステム設計回路と実装の基礎(翻訳)" 丸善株式会社, 553 (1995)