| 研究課題/領域番号 |
19H01107
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
泰地 真弘人 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (10242025)
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| 研究分担者 |
大野 洋介 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級技師 (00291914)
小山 洋平 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (10569817)
森本 元太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 技師 (60401220)
小松 輝久 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (70348499)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 専用計算機 / 分子動力学計算 / 高性能計算 / コデザイン / システムオンチップ |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、次世代の分子動力学シミュレーション専用計算機MDGRAPE-5で用いるSystem-on-Chip (SoC)の基礎開発を行うことである。現行世代MDGRAPE-4Aの性能ボトルネックを解析し、さらにハードウェアへのDeep Integrationを進めることでそれらを解消する。2019年度は、現行のMDGRAPE-4Aに存在する性能ボトルネックの解析を中心に行い、一部設計への指針を抽出した。SoCは、汎用プロセッサ、専用パイプライン、ネットワーク、メモリを主要部としており、この各部について検討した。
まず汎用プロセッサ計算部については、RISC-V Rocket/Boomコアへの移行を検討して、この方針を採用した。汎用計算部での結合力計算の加速のための方式として、深いパイプラインを持つ専用命令の追加とSuperpipeline化の両方式を検討した。今後の試行を経て最終的な判断を行う。ネットワークについては、64(4x4x4)SoCのシステムを念頭に、Hypercrossbarトポロジの可能性を検討した。また、オンチップネットワークとの統合の方針を確認した。メモリについては、セルアクセス時の遅延削減等の検討を行った。また、粒子番号から粒子のアドレスを参照する機能の改良方針を作成した。その他、イベントハンドラの概念設計を行い、out-of-orderで低遅延でのジョブ実行を可能にするための機構について検討した。専用パイプラインの実行方式の効率化も検討した。
これらの検討をすすめると同時に、RISC-V Rocket Core等の開発で用いられているChisel言語の評価を行い、MDGRAPE-4A RTLの一部をChisel言語で書き直した。また、ソフトウェアの開発方針についても、汎用機と専用機で同じコードベースを使用可能とできるような方針を検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究のオリジナルの計画では、「(A) 現在のSoCに存在する性能ボトルネックを解明し、(B)その問題を解決するための設計指針を示し、(C) 優先順位をつけて詳細設計までを行う」こととしていた。現時点で、(A)については、今後随時対応する部分があるものの大きな部分は評価を行い、一部(B)まで進めている。Cについては、既存設計の新環境への移行を進めている。
優先対象としていた以下の項目「①汎用プロセッサ：結合力計算の実行効率が低い。
②汎用プロセッサ：メッセージ処理が遅く、自動化の必要性がある。③ネットワーク ：分割送信時の到着確認のコストが高く、改良が必要。④ネットワーク：オンチップネットワークとチップ間ネットワークを統合し、
汎用プロセッサから他チップに直接送信可能にする。」については、①はプロセッサの設計方針を当初計画から大きく変更(RISC-V Rocket/Boomの利用)したため、開発工程に影響があるが、一方ではOpenで開発されている資産の利用も可能になるため、大きな問題とはならないと考えている。②－④については予定通り進めている。②については概念設計を行い、③、④についても検討を行っている。その他、当初申請後に示された性能ボトルネック、例えば粒子番号から粒子アドレスの参照テーブルを更新するための機能などについても検討を進めることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、具体的な設計を行いながら性能評価を行う。汎用プロセッサの開発方針を大きく変更し、RISC-V Rocket/Boom coreを利用することにしたため、まずはこれらへの命令追加・内部改良の方法について習熟する。同時に、既存の設計で次世代にもそのまま多く流用できる部分、特に専用Pipeline部をChisel言語で書き直していく。ネットワークについては、エミュレータベースでの評価を行うと共に、Chisel言語による汎用的な生成システムの検討・開発を行う。
汎用プロセッサ部の評価にあたっては、ソフトウェアとの連携が重要であり、FPGA(書き換え可能ゲートアレイ)を用いたの評価環境を整備する。
これらを通じ、研究開発目標を達成する。
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