スプレナム

SUPRENUM (ドイツ語: SUPerREchner für NUMerische Anwendungen、英語: super-computer for numeric applications ) は、1985 年から 1990 年にかけて行われた並列コンピュータの開発を目的としたドイツの研究プロジェクトでした。これは、ハードウェアとソフトウェアの両方のレベルで超並列処理に関する国家的な専門知識を開発することを目的とした主要な取り組みでした。

Suprenum-1コンピュータは1992年当時、世界最速の超並列MIMDコンピュータであったが、 ^[1]プロジェクトは開始され、商業的には失敗したとみなされている。

SUPRENUM プロジェクトは、連邦研究技術省 (BMFT)の資金提供を受けて1985 年に開始され、 BMFT の資金提供は、完全に構成された 256 ノードのプロトタイプ Suprenum-1 マシンが利用可能になった 1990 年まで続きました。1985 年のプロジェクト開始に先立って、1 年以上続いた定義フェーズがあり、アイデアの収集、概念の形成、プロジェクト パートナーの選定が行われました。

このプロジェクトは2段階に分かれており、最初のステップのみが実行に移された。具体的には、以下のことが計画されていた。^[2]

• Suprenum 1サブプロジェクト: 高速MIMDコンピュータの製作
• Suprenum 2 サブプロジェクト: 複雑で動的なグリッド構造を含むようにコアアプリケーションとアルゴリズムサービスクラスを拡張します。データ依存の適応手順、不規則で高次元のグリッド、グリッド構造に基づくモンテカルロ法、非グリッドアプリケーションなど、マルチプロセッサ構造への自動負荷分散 (特に動的グリッド構造) をサポートする革新的な言語コンセプトの開発、特に動的グリッド構造と自動負荷分散戦略に関する代替相互接続構造 (他のトポロジ、可変相互接続ネットワーク) の調査、新しいプロセッサテクノロジ ( VLSI、GaAsなど)。

資金提供に伴う任務は、研究面と商業面の両方を含むプロジェクトを作成することでした。この目的のために、SUPRENUM Supercomputer GmbHがボン に設立されました。SUPRENUM Supercomputer GmbHの任務は、事業全体の管理、ソフトウェア開発への貢献、ソフトウェア開発の調整、プロジェクトの成果の活用と販売でした。商業目標には、製造の専門知識を持つ企業の関与が必要でした。研究面では、さまざまな大学や政府の研究機関が参加する必要がありました。最終的なチームは、ドイツ全土のさまざまな機関から約15のグループで構成され、その中にはいくつかの大企業と小規模なSUPRENUM Supercomputer GmbHが含まれていました。^[1] 彼らは^[3]

• 4 つ (または 5 つ) の主要な研究機関: GMD (ドイツ語: Gesellschaft für Mathematik und Datenverarbeitung、英語: Society for math and informationatics )ザンクト・アウグスティンとベルリンに両方のサイト、KfA (ドイツ語: KernForschungsAnstalt、Jülich、英語: Institute)ユーリッヒの核研究のため)、KfK (ドイツ語: KernForschungszentrum Karlsruhe、英語:カールスルーエ核研究センター)、DLR
• 5 つの大学: ダルムシュタット、ボン、ブラウンシュヴァイク、デュッセルドルフ、エアランゲン ニュルンベルク
• 2 つの産業ユーザー: Dornier、Kraftwerk Union
• 2 社: Krupp Atlas Elektronik GmbH、Stollmann GmbH
• およびSuprenum GmbH

割り当てられたタスクは以下のとおりです。^[2]

• アプリケーション ソフトウェア分野: DLR、Dornier GmbH、GMD、Kernforschungsanlage Jülich GmbH (KFA)、Kernforschungsanlage Karlsruhe GmbH (KfK)、Kraftwerk Union AG、およびデュッセルドルフ大学。
• 言語レベルの分野では、GMD、ダルムシュタット工科大学、ボン大学が上位にランクされています。
• システム分野では、GMD、Krupp Atlas Elektronik GmbH、Stollmann GmbH、ブラウンシュヴァイク工科大学、エアランゲン・ニュルンベルク大学が参加しています。

ザンクト・アウグスティンの並列数値法に関する研究グループがアプリケーション（偏微分方程式の解法）のノウハウを提供した一方、ベルリンのドイツ数学・データ処理学会 GMD FIRST （ドイツ語：Forschungszentrums für Innovative Rechnersysteme und -technologie、英語：Research centre for innovative computer systems and technologies）は、ハードウェアとオペレーティングシステムの設計に必要なノウハウを提供した。ドイツ全土の学術機関の合計15の研究グループがこのプロジェクトに参加した。産業界の関与は、クルップ・アトラス・エレクトロニックでのハードウェアの製造に限定された。

出荷されたのは5つのシステムのみであった。^[4]

2010 年 7 月 12 日以降、SUPRENUM Supercomputer GmbH は消滅しました。^[5]

SUPRENUMプロジェクトの終了後、 1991年にSUPRENUM GmbHの残骸からPallas GmbH ^[6]が誕生しました。2003年に同社は高性能コンピューティング部門をIntel Corporationに売却しました。

当時広く普及していた従来のベクトル コンピュータ( NEC SX アーキテクチャ、Cray Y-MPなど)とは対照的に、SUPRENUM-1 は最初の超並列設計の 1 つとして追求されました。しかし、 Thinking Machines Corporationなどの競合他社が急速に追い上げていました。

Suprenum-1 は、超並列MIMDマルチコンピュータ システムとして設計され、分散ハードウェア アーキテクチャに基づいています。

最大 256 個のコンピューティング ノードまで拡張可能で、クラスターに編成されています。クラスターのノードは 5 つの機能ユニットに分割されています。合計 20 個のノードのうち、アプリケーション プログラムの実行には 16 個のアプリケーション ノードが使用可能です。1 つのスタンバイ ノードはフォールト トレラントの目的で使用されます。これらのアプリケーション指向ノードに加えて、ディスク ノードはディスク I/O サービスに、診断ノードはメンテナンス サービスに使用されます。最後に、異なるクラスターの相互接続とホスト マシンへの相互接続は、通信ノードによって可能になります。通信ノードは、実際にはクラスター バスと SUPRENUM バス間のゲートウェイとして機能します。^[7]

最初のリリースは 320 ノード (256 個のアプリケーション ノードと 64 個のメンテナンス ノード) で構成されていました。

各アプリケーションノードの主なコンポーネントは、20MHzのクロック速度で動作する32ビットマイクロプロセッサMotorola 68020、2ビットエラー検出と1ビットエラー訂正ロジックで保護された8MByteのメインメモリ、および4つのコプロセッサでした。 ^[8]

• ページ メモリ管理ユニット (PMMU) Motorola 68851 は、ノード メモリが CPU によってアクセスされているとき、またはDMAの開始時に、アクセス権とページ違反をチェックしました。
• 浮動小数点ユニット (FPU) Motorola 68882 は、スカラー浮動小数点演算を実行しました。
• ベクトル浮動小数点ユニット (VFPU) は、Weitekチップセット WTL2264/2265 と 64 KB の高速静的メモリ (ベクトル キャッシュ) で構成されていました。ピーク パフォーマンスは、単一操作の倍精度浮動小数点計算で 10 MFlops、連鎖操作の場合は 20 MFlops でした。定数増分が使用されている場合、2 つのオペランドの 1 つがDMAによってメイン メモリから読み取られている場合でも、ピーク パフォーマンスが達成されました。
• 通信ユニット (CU) は、ノードのメイン メモリとシステム内の他のノード間のデータ転送を処理するマイクロプログラマブル コプロセッサです。CPUが通信を開始します。次に、通信ユニットがバス要求、プロトコル チェックによる転送、バス解放を含むデータ転送全体を処理します。通信ユニットの機能は、主にゲート アレイとハイブリッド モジュールによって実現されました。

各アプリケーション ノードのネット パフォーマンスは 4 MFLOP で指定されました。その結果、SUPRENUM リリースでは 1 GFLOP のネット パフォーマンスが計算されました。

16 個のクラスターは、200 Mbit/秒のバスのネットワークで接続されていました。バスは、4 つの水平バスと 4 つの垂直バス (グローバル バス) を持つ長方形のグリッドとして配置されていました。各クラスターは、高速バスで接続された 16 個のプロセッサと、グローバル バス グリッド、ディスク、およびホスト コンピュータとの通信用の I/O デバイスで構成されていました。各クラスターには専用のディスクがありました。個々のノードは、最大 20 Mflps (64 ビット チェーン) または 10 Mflps (64 ビット アンチェーン) の計算能力を提供できました。^[9]

バス ネットワークの高帯域幅により、Suprenum-1 は、長距離通信を必要とするものを含む、幅広いアプリケーションにとって興味深いマシンになりました。リモート ノード間では、3 つ以上の通信ステップは必要ありませんでした。SUPRENUM は、送受信通信モデルをサポートしました。主な違いは、SUPRENUM Fortran が標準 Fortran の拡張であり、タスク制御と通信が言語に組み込まれている点です。iPSC のようにライブラリ呼び出しによって実装されるのではありません。SUPRENUM は、ベクトル ハードウェアを利用する Fortran 90 配列拡張もサポートしています。SUPRENUM ソフトウェアは、さまざまな分散メモリ MIMD ベンダーの中で、科学アプリケーションに対する最高のサポートを特徴としていました。高レベルのグリッドおよび通信プリミティブのライブラリ開発に注がれた労力により、アプリケーションをコンピューターに移行する作業が大幅に軽減され、通信ライブラリは任意の分散システムで低レベルのプリミティブとして実装できるため、他のシステムへの高レベルの移植性も大幅に向上しました。^[10]

ハードウェア開発に加えて、Suprenum-1 ソフトウェアはさまざまなレベルで開発されました。

• オペレーティング·システム
• ベクトル化コンパイラ
• メッセージパッシング
• アプリケーション

Suprenum-1 のオペレーティング システムは、プロジェクト専用に開発された新しいオペレーティング システムである PEACE (プロセス実行および通信環境) でした。PEACE は、最初から、効率的な低遅延メッセージ パッシングとマルチタスクをサポートするように設計されました。PEACE は満足のいくオペレーティング システムのように見えましたが、メッセージの遅延は期待どおりに低くありませんでした。典型的な遅延オーバーヘッドは 1 ミリ秒のオーダーです。非同期通信は SUPRENUM の設計目標でしたが、PEACE 内のメールボックスの競合のため、Suprenum-1 での計算と通信をオーバーラップすることはできませんでした。

主な結果として、初歩的で「その種としては初」のFortran コンパイラが開発されました。Fortran 77をベースにして、当時登場予定だったFortran 90標準の一部の機能をすでに提供していました。また、PARMACS (「並列マクロ」) 通信ライブラリも使用していました。前述の FORTRAN コンパイラとは対照的に、PARMACS プログラミング モデルは明確にメッセージ パッシングに基づいています。しかし、このプロジェクトへの資金提供は、コンパイラが成熟する前に停止されました。このプロジェクトは、SUPERB ^[11] (SUprenum parallelyER Bonn) プロジェクト (「ウィーン Fortran」) に変わりました。

以下の表^[12]は、Suprenum-1と当時の 他のMPPシステムとの比較を示しています。

^{開発費が1億6千万[13]} ドイツマルク以上と高額でマーケティングも成功しなかったため、このプロジェクトは批判的に評価され、他の失敗した研究（増殖炉、トランスラピッド）と比較されるようになった。そのため、連邦研究技術省は、商業プロジェクトへと発展する計画されていた第2フェーズへの資金提供を放棄した。この決定は、潜在的な顧客が頼りにできる後継システムを否定したため、商業的成功を妨げた。継続性は、ソフトウェア開発や産業応用に不可欠な前提条件である。

後から考えると、特に産業界の関与が不十分だったことが批判されています。しかし、研究プロジェクト自体は、SUPRENUM は成功でした。参加機関は並列コンピューティングで高く評価されている専門知識を獲得し、それが欧州プロジェクト GENESIS につながりました。PEACE は、非営利の MANNA アーキテクチャのオペレーティング システムとして機能しました。SUPRENUM は、欧州 GENESIS プロジェクトの成果である Meiko CS-2 など、他の並列コンピュータの開発にも影響を与えました。

SUPRENUM プロジェクトからは、 GENESIS 、SUPERB、Pallas GmbH、Manna、PPPE、RAPSなど、多くの成功した企業が誕生しました。実際、Pallas は SUPRENUM のソフトウェア面すべてを継承したものと見なすことができ、SUPRENUM のこの部分が商業的に成功したことを示しています。GMD FIRST プロジェクト Manna も同様に、SUPRENUM のオペレーティング システムとアーキテクチャ面の一部を継承したもので、今回は研究環境ではありますが、これも非常に成功しています。

また、もともと GENESIS 内で開発されたMeiko CS-2 マシンには、SUPRENUM の Suprenum-2 設計の多くの要素が組み込まれており、実際に Meiko と SUPRENUM を統合するという真剣な計画が一時ありました。残念ながら、この構想は最終的に SUPRENUM GmbH の株主によって拒否され、その時点で SUPRENUM からの撤退も決定されました。最終的に、SUPRENUM のアプリケーション側は GENESIS に進化し、その後 PPPE と RAPS に進化しました。そのため、SUPRENUM のこの側面は長期的な実行可能性を証明しました。

幅広いコンピューティング技術におけるこれらの成果をすべて考慮すると、政府が当初設定した目標のすべては達成できなかったものの、SUPRENUM は大成功を収めたとしか結論付けられません。

• パルシテック
• シンキング・マシーンズ・コーポレーション
• メイコーサイエンティフィック
• マスパー
• ヴォルフガング・ヘンドラー

• GENESIS と SUPRENUM プロジェクト Oliver A. McBryan、1994
• 分散型 PEACE オペレーティングシステムと MIMD メッセージパッシングアーキテクチャへの適合性 W. Schröder、1988
• PEACE: MIMD メッセージパッシングアーキテクチャ向け分散オペレーティングシステム W. Schröder、1988
• マンハイム スーパーコンピュータ カンファレンス 15 周年を振り返る U. ハームズ、2000
• Konzepte und Beispiele パラレル Rechnerarchitekturen (VII): Computerwoche.de のPyramidenkonzept fast 100 Prozent による高速化(ドイツ語)