NASA 先進スーパーコンピューティング部門

	現在のスーパーコンピューティングシステム
プレアデス	SGI/HPE ICE X スーパークラスタ
エイケン	HPE E-Cell システム
エレクトラ	SGI/HPE ICE X および HPE E-Cell システム
努力	SGI UV共有メモリシステム
メロペ	SGI Altix スーパークラスタ

NASA 先進スーパーコンピューティング部門
代理店概要
形成された	1982
先行機関	数値空力シミュレーション部門（1982）; 数値航空宇宙シミュレーション部門（1995）;
本部	NASA エイムズ研究センター、カリフォルニア州モフェットフィールド37°25′16″N 122°03′53″W / 37.42111°N 122.06472°W / 37.42111; -122.06472;
代理店幹部	ピユーシュ・メロトラ、部長;
親部門	エイムズ研究センター探査技術局
親会社	アメリカ航空宇宙局（NASA）
Webサイト	詳しくはこちら

NASA先進スーパーコンピューティング (NAS) 部門は、カリフォルニア州マウンテンビューのシリコンバレーの中心地、モフェットフィールドにあるNASA エイムズ研究センターにあります。この部門は、ほぼ 40 年にわたって、航空力学、宇宙探査、気象パターンや海流の研究、スペースシャトルや航空機の設計と開発における NASA のミッションのための主要なスーパーコンピューティング、モデリング、シミュレーションリソースとなっています。

この施設には現在、ペタスケールの Pleiades、 Aitken 、 ElectraスーパーコンピュータとテラスケールのEndeavourスーパーコンピュータが設置されている。これらのシステムは、Intelプロセッサを搭載したSGIおよびHPEアーキテクチャに基づいている。メインの建物には、1エクサバイトを超えるデータ容量を持つディスクおよびアーカイブテープストレージシステム、ハイパーウォール視覚化システム、世界最大級のInfiniBandネットワークファブリックも設置されている。 ^[4] NAS 部門は NASA の探査技術局の一部であり、NASA のハイエンドコンピューティング機能 (HECC) プロジェクトを運営している。^[5]

歴史

設立

1970 年代半ば、エイムズ研究センターの航空宇宙エンジニアのグループは、航空宇宙の研究開発を、コストと時間のかかる風洞試験から、当時市販されていたものよりも高性能なスーパーコンピューターで数値流体力学(CFD) モデルを使用するシミュレーションベースの設計とエンジニアリングに移行することを検討し始めました。この取り組みは後に数値空気力学シミュレーター (NAS) プロジェクトと名付けられ、最初のコンピューターは 1984 年にエイムズ研究センターの中央計算施設に設置されました。

最先端のスーパーコンピューティング施設の起工式は、1985年3月14日に行われました。CFDの専門家、コンピューター科学者、視覚化の専門家、ネットワークおよびストレージエンジニアが協力的な環境で1つの屋根の下に集まることができる建物を建設するためでした。1986年にNASは本格的なNASA部門に移行し、1987年にはNASのスタッフと機器、2台目のスーパーコンピューターであるNavierという名前のCray-2が新しい施設に移転され、1987年3月9日に開設されました。^[6]

1995 年に NAS は Numerical Aerospace Simulation Division に名称を変更し、2001 年に現在の名称に変更されました。

業界をリードするイノベーション

NASはスーパーコンピューティングの世界をリードするイノベーターの一つであり、商業用スーパーコンピューティングで広く使用されるようになった多くのツールやプロセスを開発してきました。これらの最初のものには次のようなものがあります。^[7]

クレイ社初のUNIXベースのスーパーコンピュータを導入^[8]
スーパーコンピュータとワークステーションをリンクして計算と視覚化を分散するクライアント/サーバーモデルを実装しました。
スーパーコンピューティングリソースをリモートユーザーに接続する高速ワイドエリアネットワーク(WAN) を開発および実装 (AEROnet)
地理的に離れた場所にあるスーパーコンピューティングリソース間で生産負荷を動的に分散する NASA 初の方法を共同開発 (NASA メタセンター)
スーパーコンピューティング環境でTCP/IPネットワークを実装
スーパーコンピュータ向けバッチキューイングシステム（NQS）を開発
UNIXベースの階層型大容量ストレージシステム（NAStore）を開発
最初のIRIX シングルシステムイメージ256、512、1,024プロセッサスーパーコンピュータをSGIと共同開発
SGIと共同で、Linuxベースのシングルシステムイメージ512および1,024プロセッサスーパーコンピュータを開発しました。
2,048プロセッサの共有メモリ環境

ソフトウェア開発

NASは、「システムサポート、監視システム、セキュリティ、科学的視覚化のためのソフトウェアを含む、スーパーコンピュータで実行される作業を補完および強化する」ためにソフトウェアを開発および適応させ、NASAオープンソース契約（NOSA）を通じてユーザーにこのソフトウェアを提供することが多い。^[9]

NAS の重要なソフトウェア開発には次のようなものがあります。

NAS Parallel Benchmarks (NPB) は、高度に並列化されたスーパーコンピュータを評価し、大規模な CFD アプリケーションの特性を模倣するために開発されました。
Portable Batch System (PBS)は、並列および分散システム向けの最初のバッチキューイングソフトウェアでした。1998 年に商用リリースされ、現在でも業界で広く使用されています。
PLOT3Dは1982年に開発され、構造化CFDデータセットのグリッドとソリューションを視覚化するために現在でも使用されているコンピュータグラフィックスプログラムです。PLOT3Dチームは、3D CFDソリューションの科学的視覚化と分析に革命をもたらしたソフトウェアの開発により、NASA Space Act Programから史上4番目に大きな賞を受賞しました。^[6]
FAST（Flow Analysis Software Toolkit）はPLOT3Dをベースにしたソフトウェア環境で、数値シミュレーションのデータを解析するために使用されます。CFD可視化向けにカスタマイズされていますが、ほぼすべてのスカラーデータとベクターデータを可視化するために使用できます。1995年にNASAソフトウェアオブザイヤー賞を受賞しました。^[10]
INS2DとINS3Dは、NASのエンジニアによって開発されたコードで、それぞれ2次元と3次元の一般座標で定常流と時間変動流の非圧縮ナビエ・ストークス方程式を解くものです。1994年、INS3DはNASAソフトウェアオブザイヤー賞を受賞しました。^[6]
Cart3Dは、複雑な形状の自動CFDシミュレーションを実行できる、空気力学設計用の高忠実度解析パッケージです。NASAやその他の政府機関では、航空機や宇宙船の概念設計や予備設計のテストに今でも使用されています。^[11] Cart3Dチームは、2002年にNASAソフトウェアオブザイヤー賞を受賞しました。
OVERFLOW (オーバーセットグリッドフローソルバー) は、レイノルズ平均ナビエストークス CFD 方程式を使用して固体の周りの流体の流れをシミュレートするために開発されたソフトウェアパッケージです。これは、オーバーセット (キメラ) グリッドシステム用の最初の汎用 NASA CFD コードであり、1992 年に NASA 外部にリリースされました。
Chimera Grid Tools (CGT)は、サーフェスおよびボリュームグリッド生成、グリッド操作、スムージング、投影などの CFD 問題を解決するための Chimera オーバーセットグリッドアプローチ用のさまざまなツールを含むソフトウェアパッケージです。
HiMAP 3レベル（分野内/分野間、マルチケース）並列高忠実度多分野（流体、構造、制御）解析プロセス、^[12]^[13]

スーパーコンピューティングの歴史

1987年の建設以来、NASAの先端スーパーコンピューティング施設は、世界で最も強力なスーパーコンピュータのいくつかを収容し、運用してきました。これらのコンピュータの多くには、より大規模に利用される可能性のある新しいアーキテクチャ、ハードウェア、またはネットワーク設定をテストするために構築されたテストベッドシステムが含まれています。^[6]^{[8]ピークパフォーマンスは}、1秒あたりの浮動小数点演算数（FLOPS）で示されます。

ストレージリソース

ディスクストレージ

1987年、NASは国防高等研究計画局（DARPA）およびカリフォルニア大学バークレー校と提携し、複数のディスクドライブコンポーネントを1つの論理ユニットに統合するストレージ技術の開発を目指したRAID（ Redundant Array of Inexpensive Disks ）プロジェクトに着手しました。1992年に完了したRAIDプロジェクトは、現在使用されている分散データストレージ技術の誕生につながりました。^[6]

NAS施設は現在、高可用性ソフトウェアを備えたSGIパラレルDMFクラスター上にディスクマスストレージを収容しており、4つの32プロセッサフロントエンドシステムで構成され、スーパーコンピューターとアーカイブテープストレージシステムに接続されています。このシステムには、フロントエンドあたり192GBのメモリ^[34]と7.6ペタバイト（PB）のディスクキャッシュがあります。^[4]ディスクに保存されたデータは、施設のテープアーカイブストレージシステムに定期的に移行され、スーパーコンピューターで実行されている他のユーザープロジェクト用のスペースが解放されます。

アーカイブおよびストレージシステム

1987年、NASは最初のUNIXベースの階層型大容量ストレージシステムであるNAStoreを開発しました。このシステムには2台のStorageTek 4400カートリッジテープロボットが含まれており、それぞれのストレージ容量は約1.1テラバイトで、テープの取り出し時間を4分から15秒に短縮しました。^[6]

2008年にPleiadesスーパーコンピュータが導入されたことで、NASが20年間使用してきたStorageTekシステムは、ユーザー数の増加と各プロジェクトのデータセットのファイルサイズの増大というニーズを満たすことができなくなりました。^{[35] 2009年にNASは}Spectra Logic T950ロボットテープシステムを導入し、施設の最大容量を、ユーザーがスーパーコンピュータからデータをアーカイブするために使用できるスペースとして16ペタバイトに増加しました。^[36] 2019年3月の時点で、NAS施設はSpectra Logicテープライブラリの合計アーカイブストレージ容量を35%圧縮で1,048ペタバイト（または1エクサバイト）に増加しました。^[34] SGIのデータ移行施設（DMF）とOpenVaultは、NAS施設のディスクからテープへのデータ移行とテープからディスクへのデマイグレーションを管理します。

2019年3月現在、NASアーカイブストレージシステムには110ペタバイトを超える固有データが保存されています。^[34]

データ可視化システム

1984年、NASは25台のSGI IRIS 1000グラフィックス端末を購入しました。これは、シリコンバレーを拠点とする同社との長いパートナーシップの始まりであり、施設のスーパーコンピューターで実行されるCFD結果の後処理と視覚化に大きな影響を与えました。^[6]視覚化は、スーパーコンピューターで実行されるシミュレーションデータの分析における重要なプロセスとなり、エンジニアや科学者は結果を空間的に、また設計に作用するCFDの力に対する理解を深めることができるようになりました。

NAS 施設のハイパーウォール視覚化システムにより、研究者はスーパーコンピューター上で実行される複数のシミュレーション、または 1 つの大きな画像やアニメーションを表示できます。

ハイパーウォール

2002年、NASの視覚化専門家は「ハイパーウォール」と呼ばれる視覚化システムを開発しました。これは49個のリンクされたLCDパネルで構成されており、科学者は7×7の大型で動的なスクリーンアレイで複雑なデータセットを表示できました。各スクリーンには独自の処理能力があり、データセットを表示、処理、共有できるため、1つの画像をすべてのスクリーンに表示したり、巨大な視覚スプレッドシートのように「セル」にデータを表示できるように構成したりできます。^[37]

第2世代の「ハイパーウォール2」は、2008年にNASがコルファックス・インターナショナルと共同で開発し、幅23フィート、高さ10フィートの8x16グリッドに配置された128のLCDスクリーンで構成されています。2億5千万ピクセルをレンダリングできるため、世界最高の解像度の科学的視覚化システムとなっています。^[38] 128のノードがあり、各ノードには2つのクアッドコアAMD Opteron（バルセロナ）プロセッサとNvidia GeForce 480 GTX グラフィックス処理ユニット（GPU）が搭載されており、システム全体で128テラフロップスの専用ピーク処理能力を発揮します。これは、オリジナルのハイパーウォールの100倍の性能です。^[39]ハイパーウォール2は、InfiniBandネットワークを介してプレアデススーパーコンピューターのファイルシステムに直接接続されており、ハイパーウォール2のメモリにファイルをコピーすることなく、ファイルシステムから直接データを読み取ることができます。

2014年、ハイパーウォールは新しいハードウェアにアップグレードされました。256個のIntel Xeon「Ivy Bridge」プロセッサと128個のNVIDIA Geforce 780 Ti GPUです。このアップグレードにより、システムのピーク処理能力は9テラフロップスから57テラフロップスに向上し、グラフィックスメモリは現在400ギガバイト近くあります。^[40]

2020年には、ハイパーウォールは新しいハードウェアでさらにアップグレードされました。256個のIntel Xeon Platinum 8268（Cascade Lake）プロセッサと128個のNVIDIA Quadro RTX 6000 GPU、合計3.1テラバイトのグラフィックメモリが搭載されました。このアップグレードにより、システムのピーク処理能力は57テラフロップスから512テラフロップスに向上しました。^[41]

同時可視化

NAS で開発されたハイパーウォール技術の重要な特徴は、データの「同時可視化」を可能にすることです。これにより、科学者やエンジニアはスーパーコンピュータで計算が実行されている間にデータを分析および解釈できます。これにより、実行時の監視、ステアリング、終了のために計算の現在の状態が表示されるだけでなく、「I/O とストレージスペースの要件が大幅に回避されるため、後処理に比べて時間解像度の高い可視化が可能になります... [そして] シミュレーションでは、通常は表示されない機能が表示される場合があります。」^[42]

NAS 可視化チームは、2005 年にコロンビアスーパーコンピューターで実行される超並列予測モデルで使用するための構成可能な同時実行パイプラインを開発し、国立ハリケーンセンターによる大西洋のハリケーンシーズンの予測に役立てました。各予測の提出期限があるため、可視化プロセスによってシミュレーションが大幅に妨げられたり、失敗したりしないことが重要でした。

参考文献

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外部リンク

NASA の高度なスーパーコンピューティングリソース

NASA 先進スーパーコンピューティング (NAS) 部門のホームページ
NASコンピューティング環境ホームページ
NAS Pleiades スーパーコンピュータのホームページ
NAS Aitken スーパーコンピュータのホームページ
NAS Electra スーパーコンピュータのホームページ
NAS アーカイブおよびストレージシステムのホームページ
NAS ハイパーウォール 2 ホームページ

その他のオンラインリソース

NASA公式サイト
NASA ハイエンドコンピューティングプログラムのホームページ
NASA のハイエンドコンピューティング能力プロジェクトのホームページ
TOP500公式サイト

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歴史

設立