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2020 年度 実績報告書

ポストムーア時代のスケーラブル計算機とそのシステムソフトウェアの創成

研究課題

研究課題/領域番号 20H00593
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

佐野 健太郎  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, チームリーダー (00323048)

研究分担者 滝沢 寛之  東北大学, サイバーサイエンスセンター, 教授 (70323996)
谷川 一哉  広島市立大学, 情報科学研究科, 講師 (80382373)
柴田 裕一郎  長崎大学, 情報データ科学部, 教授 (10336183)
上野 知洋  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (30794135)
宮島 敬明  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (90770850)
小柴 篤史  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (20845771) [辞退]
佐藤 三久  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 副センター長 (60333481)
Lee Jinpil  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 研究員 (30764873)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードデータフロー計算モデル / 布線論理型 / 計算機アーキテクチャ / システムソフトウェア / FPGA / SYCL
研究実績の概要

ポストムーア時代に適したスケーラブルデータフロー(SDF)システムの構築を目指し、布線論理型データフロー計算モデル、プログラミングモデル、システムソフト、アプリの調査検討や基本設計を行った。分担者の異動に伴いプログラミングモデルとシステムソフトを統合したPROGSYS、計算機構とモデルのCOMP、アプリのAPPの3グループ体制で研究を実施した。
COMPでは、「SDF計算モデルとそのアーキテクチャ」を検討すると共にその試作実証環境であるFPGAクラスタの整備を行った。特に、FPGAでSDF計算を動作させるシステムオンチップであるAFUShell、およびその制御のためのAPIクラスライブラリ等のシステム基盤構築を行った。
PROGSYSでは、シングルFPGA向けの計算機構やコンパイラ等の設計と実装に向けた検討を行った。特に、AFUShellに対して、次世代標準プログラミング環境として注目されているSYCLの独自実装を行い、依存関係に基づいてホストCPUとFPGAを非同期に動作させるC++コードが容易に記述できるようにした。また、FPGA以外のヘテロ構成を対象とするシステムソフトの課題について検討を行った。
APPでは、Graph500でも使用されているグラフの幅優先探索について、データフローに基づくFPGAハードウェアのプロトタイプ実装を行った。また、そのシミュレータを開発し、ボトルネックがメモリ参照であることを確認した。
加えて、布線論理型データフローに基づく新たな近似凸包アルゴリズムを開発しそのプロタイプ実装を行った。その結果、事実上の標準である凸包ライブラリに比べて優位な性能が得られることや、要求に応じてハードウェア量と近似精度のトレードオフを調整できることを明らかにした。また近似精度は実用上問題無く、ドロネー三角形分割等の他の計算幾何学応用への見通しが得られた。

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

スケーラブルデータフロー計算モデルとそのアーキテクチャを試作するためのFPGAクラスタなどの環境整備を行うと共に、システムやアプリを実装するためのFPGA上システムオンチップやAPIクラスライブラリ、およびFPGA間ネットワークサブシステムの開発を進めており、アプリ開発にも着手できていることから概ね研究実施計画の通りに進んでいる。

今後の研究の推進方策

今後は、理研のFPGAクラスタを共通の研究プラットフォームとして研究実施していくことになるが、研究分担者らと定期的に打ち合わせやワークショップを行いながら、密に連携して研究を推進していく予定である。また、アプリ研究者とシステム研究者の間の情報交換を重視していく。さらに、これらのための情報共有用のWEBページを開設し、研究分担者間で利用する。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] ESSPER: 高性能計算のためのスケーラブルかつ柔軟なFPGAクラスタシステムの開発2021

    • 著者名/発表者名
      佐野健太郎, 上野知洋, 宮島敬明, JensHuthmann, 小柴篤史
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 120 (339) ページ: 7-12

  • [雑誌論文] 高性能計算のための高速フーリエ変換のFPGA実装と評価2021

    • 著者名/発表者名
      宮島敬明, 上野知洋, 佐野健太郎
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 120 (339) ページ: 19-24

  • [雑誌論文] FDTD法による音響シミュレーションのためのストリーム計算ハードウェアの設計と評価2021

    • 著者名/発表者名
      多田 大希, 上野 知洋, 小柴 篤史, 佐野 健太郎, 河野 隆太, 井口 寧
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 120 (339) ページ: 13-18

  • [雑誌論文] Evaluating I/O Acceleration Mechanisms of SX-Aurora TSUBASA2021

    • 著者名/発表者名
      Yuta Sasaki, Ayumu Ishizuka, Mulya Agung and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      2021 IEEE International Parallel & Distributed Processing Symposium Workshops

      巻: (accepted) ページ: 8 pages

    • 査読あり
  • [雑誌論文] OpenCL-like offloading with metaprogramming for SX-Aurora TSUBASA2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Takizawa, Shinji Shiotsuki, Naoki Ebata and Ryusuke Egawa
    • 雑誌名

      Parallel Computing

      巻: 102 ページ: 10 pages

    • DOI

      10.1016/j.parco.2021.102754

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Preemptive Parallel Job Scheduling for Heterogeneous Systems Supporting Urgent Computing2021

    • 著者名/発表者名
      Mulya Agung, Yuta Watanabe, Henning Weber, Ryusuke Egawa and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 9 ページ: 17557-17571

    • DOI

      10.1109/ACCESS.2021.3053162

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] neoSYCL: a SYCL implementation for SX-Aurora TSUBASA2021

    • 著者名/発表者名
      Yinan Ke, Mulya Agung and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2021)

      巻: - ページ: 50-57

    • DOI

      10.1145/3432261.3432268

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Comparison of direct and indirect networks for high-performance FPGA clusters2020

    • 著者名/発表者名
      Antoniette Mondigo, Tomohiro Ueno, Kentaro Sano, and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications (ARC 2020), Lecture Notes in Computer Science

      巻: 12083 ページ: 314-329

    • DOI

      10.1007/978-3-030-44534-8_24

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FPGAクラスタによるカスタム高性能計算の現状と課題2020

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 雑誌名

      日本応用数理学会 2020年度年会講演予稿集

      巻: - ページ: 2 pages

  • [雑誌論文] Stratix 10 FPGAクラスタにおける格子ボルツマン法のパイプライン並列化と性能評価2020

    • 著者名/発表者名
      小柴篤史, 上野知洋, 佐野 健太郎
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 120 (168) ページ: 7-12

  • [雑誌論文] Polymorphic Data Layout for SX-Aurora TSUBASA Vector Engines2020

    • 著者名/発表者名
      Naoki Ebata, Yoko Isobe, Ryusuke Egawa and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      2020 Eighth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR)

      巻: - ページ: 7 pages

    • DOI

      10.1109/CANDAR51075.2020.00020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improving the accuracy in SpMV implementation selection with machine learning2020

    • 著者名/発表者名
      Reo Furuhata, Minglu Zhao, Mulya Agung, Ryusuke Egawa and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      2020 Eighth International Symposium on Computing and Networking Workshops (CANDARW)

      巻: - ページ: 6 pages

    • DOI

      10.1109/CANDARW51189.2020.00043

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FPGAによる高速な近似凸包計算2020

    • 著者名/発表者名
      森龍馬, 眞邉泰斗, 柴田裕一郎
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 120 (168) ページ: 19-24

  • [雑誌論文] Fast and Memory Efficient Approximated Convex Hull Computation with FPGA2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuma Mori, Taito Manabe and Yuichiro Shibata
    • 雑誌名

      2020 Eighth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR)

      巻: - ページ: 174-180

    • DOI

      10.1109/CANDAR51075.2020.00031

    • 査読あり
  • [学会発表] FPGAクラスタ試作システム ESSPER とそのFPGA間通信機構2021

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      FPGA-HPC-Symposium2021
    • 招待講演
  • [学会発表] Stratix 10 FPGAクラスタにおける格子ボルツマン法のパイプライン並列化と性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      小柴篤史
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [学会発表] ESSPER: 高性能計算のためのスケーラブルかつ柔軟なFPGAクラスタシステムの開発2021

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [学会発表] 高性能計算のための高速フーリエ変換のFPGA実装と評価2021

    • 著者名/発表者名
      宮島敬明
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [学会発表] FPGA Cluster System for High-Performance Reconfigurable Computing2020

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      Intel FPGA Technology Day 2020 (IFTD), Asia Pacific region and North America region
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] リコンフィギャラブル高性能計算の実現に向けたFPGAクラスタシステム開発2020

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      Intel FPGA Technology Day 2020 (IFTD), Japan region
    • 招待講演
  • [学会発表] FPGAクラスタによるカスタム高性能計算の現状と課題2020

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      日本応用数理学会 2020年度年会
    • 招待講演
  • [学会発表] FPGAを用いたカスタム高性能計算システムと自動チューニングへの期待2020

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      第23回AT研究会オープンアカデミックセッション(ATOS23)
    • 招待講演
  • [学会発表] Comparison of direct and indirect networks for high-performance FPGA clusters2020

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno
    • 学会等名
      Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications (ARC 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] FPGAによる高速な近似凸包計算2020

    • 著者名/発表者名
      森龍馬
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
  • [学会発表] Fast and Memory Efficient Approximated Convex Hull Computation with FPGA2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuma Mori
    • 学会等名
      2020 Eighth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR)
    • 国際学会

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公開日: 2021-12-27  

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