NASA先進スーパーコンピューティング部門

NASA先進スーパーコンピューティング部門
地図
代理店概要
形成された1982 (1982年
先行機関
  • 数値空力シミュレーション部門(1982年)
  • 数値航空宇宙シミュレーション部門(1995年)
本部NASAエイムズ研究センターモフェットフィールドカリフォルニア州北緯37度25分16秒 西経122度03分53秒 / 北緯37.42111°、西経122.06472° / 37.42111; -122.06472
代理店幹部
  • ドノヴァン・マティアス、部長(代行)
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www.nas.nasa.gov

NASA先端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中心部に位置するNASAエイムズ研究センターモフェットフィールド)にあります。NASは40年近くにわたり、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・開発といったNASAのミッションにおいて、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を提供してきました。

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に加え、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ます。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ます。メインビルディングには、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、ハイパーウォール可視化システム、そして世界最大級のInfiniBandネットワークファブリックも設置されています。 [ 1 ] NAS部門はNASA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能力(HECC)プロジェクトを運営しています。[ 2 ]

歴史

創設

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グループは、航空宇宙研究開発を、費用と時間を要する風洞試験から、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上で数値流体力学(CFD)モデルを用いたシミュレーションベースの設計・エンジニアリングへと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力シミュレータ(NAS)プロジェクトと名付けられ、最初のコンピュータは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。

1985年3月14日、最先端のスーパーコンピューティング施設の起工式が行われました。この施設は、CFD専門家、コンピュータ科学者、可視化専門家、そしてネットワークおよびストレージエンジニアが一堂に会し、共同作業環境を構築するための施設でした。1986年、NASはNASAの正式な部門へと移行し、1987年にはNASのスタッフと設備、そして2台目のスーパーコンピュータであるCray-2(Navier)を含む機器が新施設に移転され、1987年3月9日に開所されました。[ 3 ]

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、商用スーパーコンピューティングで広く利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。これらの先駆的な取り組みには、次のようなものがあります。[ 4 ]

  • クレイ初のUNIXベーススーパーコンピュータを導入[ 5 ]
  • 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可視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) (AEROnet)を開発および実装しました。
  • 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 初の手法を共同開発 (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
マッハ2.46、高度66,000フィート(20,000メートル)で飛行中のスペースシャトル打ち上げ機(ロケット)の周囲の流れ場の画像。機体表面は圧力係数によって色分けされ、灰色の等高線はOVERFLOWコードを用いて計算された周囲の空気の密度を表しています。

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ており、多くの場合、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しています。[ 6 ]

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 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。
  • ポータブルバッチシステム(PBS)は、並列・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解を可視化するために現在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解の科学的可視化と解析に革命をもたらしたソフトウェアの開発により、NASA宇宙法プログラムから史上4番目に大きな賞を受賞しました。 [ 3 ]
  • FAST(Flow Analysis Software Toolkit)は、PLOT3Dをベースにしたソフトウェア環境であり、数値シミュレーションのデータ解析に使用されます。CFD可視化向けにカスタマイズされていますが、ほぼあらゆるスカラーデータおよびベクトルデータの可視化に使用できます。1995年にはNASAソフトウェア・オブ・ザ・イヤー賞を受賞しました。[ 7 ]
  • INS2DINS3D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次元および3次元一般座標における定常流れと時間変動流れの非圧縮ナビエ・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。[ 3 ]
  • Cart3Dは、複雑な形状の自動CFDシミュレーションを可能にする、高忠実度の空力設計解析パッケージです。NASAをはじめとする政府機関では、現在も航空機や宇宙船の概念設計や予備設計の試験に使用されています。[ 8 ] 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方程式を用いて固体周りの流体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)グリッドシステム向けのNASA初の汎用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、[ 9 ] [ 10 ]

スーパーコンピューティングの歴史

1987年の建設以来、NASA先進スーパーコンピューティング施設(NASA Advanced Supercomputing Facility)は、世界で最も高性能なスーパーコンピュータを収容・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構成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。[ 3 ] [ 5 ]ピーク性能は、 1秒あたりの浮動小数点演算回数(FLOPS)で示されます。

コンピュータ名建築最高のパフォーマンスCPUの数設置日
クレイXMP-12210.53メガフロップス11984
ナビエクレイ21.95ギガフロップス41985
チャックコンベックス 38201.9ギガフロップス81987
ピエール思考機械CM214.34ギガフロップス16,0001987
43ギガフロップス4万80001991
ストークスクレイ21.95ギガフロップス41988
パイパーCDC/ETA-10Q840メガフロップス41988
レイノルズクレイY-MP2.54ギガフロップス81988
2.67ギガフロップス881988
ラグランジュインテルiPSC/8607.88ギガフロップス1281990
ガンマインテル iPSC/8607.68ギガフロップス1281990
フォン・カルマンコンベックス3240200メガフロップス41991
ボルツマン思考機械 CM516.38ギガフロップス1281993
シグマインテル パラゴン15.60ギガフロップス2081993
フォン・ノイマンクレイ C9015.36ギガフロップス161993
イーグルクレイ C907.68ギガフロップス81993
グレースインテル パラゴン15.6ギガフロップス2091993
バベッジIBM RS/6000 SP234.05ギガフロップス1281994
42.56ギガフロップス1601994
ダ・ヴィンチSGIパワーチャレンジ161994
SGIパワーチャレンジXL11.52ギガフロップス321995
ニュートンクレイ J907.2ギガフロップス361996
子豚SGI Origin 2000/250 MHz4ギガフロップス81997
チューリングSGI Origin 2000/195 MHz9.36ギガフロップス241997
25ギガフロップス641997
フェルミSGI Origin 2000/195 MHz3.12ギガフロップス81997
ホッパーSGI Origin 2000/250 MHz32ギガフロップス641997
エヴリンSGI Origin 2000/250 MHz4ギガフロップス81997
シュテガーSGI Origin 2000/250 MHz64ギガフロップス1281997
128ギガフロップス2561998
ロマックスSGI Origin 2800/300 MHz307.2ギガフロップス5121999
409.6ギガフロップス5122000
ルーSGI Origin 2000/250 MHz4.68ギガフロップス121999
アリエルSGI Origin 2000/250 MHz4ギガフロップス82000
セバスチャンSGI Origin 2000/250 MHz4ギガフロップス82000
SN1-512SGI Origin 3000/400 MHz409.6ギガフロップス5122001
明るいクレイ SVe1/500 MHz64ギガフロップス322001
チャップマンSGI Origin 3800/400 MHz819.2ギガフロップス1,0242001
1.23テラフロップス1,0242002
ロマックス IISGI Origin 3800/400 MHz409.6ギガフロップス5122002
カルパナ[ 11 ]SGI Altix 3000 [ 12 ]2.66テラフロップス5122003
クレイX1 [ 13 ]204.8ギガフロップス2004
コロンビアSGI Altix 3000 [ 14 ]63テラフロップス10,2402004
SGI アルティックス 470010,2962006
85.8テラフロップス[ 15 ]13,8242007
シラーIBM POWER5+ [ 16 ]4.8テラフロップス6402007
RTジョーンズSGI ICE 8200Intel Xeon「Harpertown」プロセッサー43.5テラフロップス4,0962007
プレアデスSGI ICE 8200、Intel Xeon「Harpertown」プロセッサ[ 17 ]487テラフロップス51,2002008
544テラフロップス[ 18 ]56,3202009
SGI ICE 8200、Intel Xeon「Harpertown」/ 「Nehalem」プロセッサ[ 19 ]773テラフロップス81,9202010
SGI ICE 8200/8400、Intel Xeon「Harpertown」/「Nehalem」/ 「Westmere」プロセッサ[ 20 ]1.09ペタフロップス111,1042011
SGI ICE 8200/8400/X、Intel Xeon「Harpertown」/「Nehalem」/「Westmere」/ 「Sandy Bridge」プロセッサ[ 21 ]1.24ペタフロップス125,9802012
SGI ICE 8200/8400/X、Intel Xeon「Nehalem」/「Westmere」/「Sandy Bridge」/ 「Ivy Bridge」プロセッサ[ 22 ]2.87ペタフロップス162,4962013
3.59ペタフロップス184,8002014
SGI ICE 8400/X、Intel Xeon「Westmere」/「Sandy Bridge」/「Ivy Bridge」/ 「Haswell」プロセッサ[ 23 ]4.49ペタフロップス198,4322014
5.35ペタフロップス[ 24 ]210,3362015
SGI ICE X、Intel Xeon「Sandy Bridge」/「Ivy Bridge」/「Haswell」/ 「Broadwell」プロセッサ[ 25 ]7.25ペタフロップス246,0482016
努力SGI UV 2000、Intel Xeon「Sandy Bridge」プロセッサ[ 26 ]32テラフロップス1,5362013
メロペSGI ICE 8200、Intel Xeon「Harpertown」プロセッサ[ 22 ]61テラフロップス5,1202013
SGI ICE 8400、Intel Xeon「Nehalem」/「Westmere」プロセッサ[ 23 ]141テラフロップス1,1522014
エレクトラSGI ICE X、Intel Xeon「Broadwell」プロセッサ[ 27 ]1.9ペタフロップス1,1522016
SGI ICE X/HPE SGI 8600 E-Cell、Intel Xeon「Broadwell」/ 「Skylake」プロセッサー[ 28 ]4.79ペタフロップス2,3042017
8.32ペタフロップス[ 29 ]3,4562018
エイトケンHPE SGI 8600 E-Cell、Intel Xeon 「Cascade Lake」プロセッサー[ 30 ]3.69ペタフロップス1,1502019
コンピュータ名建築最高のパフォーマンスCPUの数設置日

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、今日使用されている分散データストレージ技術の発展につながりました。[ 3 ]

NAS施設は現在、高可用性ソフトウェアを搭載したSGI並列DMFクラスタ上に大容量ディスクストレージを収容しています。このクラスタは4台の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。このシステムは、フロントエンドあたり192GBのメモリ[ 31 ]と7.6ペタバイト(PB)のディスクキャッシュを備えています。[ 1 ]ディスクに保存されたデータは、施設内のテープ・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を確保しています。

アーカイブおよびストレージシステム

1987年、NASはUNIXベースの最初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。これは、それぞれ約1.1テラバイトのストレージ容量を持つ2台のStorageTek 4400カートリッジテープロボットで構成されており、テープの取り出し時間を4分から15秒に短縮しました。[ 3 ]

2008 年に Pleiades スーパーコンピュータが導入されて以来、NAS が 20 年間使用してきた StorageTek システムでは、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 サイズの増加というニーズに対応できなくなりました。[ 32 ] NAS は 2009 年に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が 16 ペタバイトに増加しました。[ 33 ] 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。[ 31 ] SGI の Data Migration Facility (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。[ 31 ]

データ視覚化システム

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企業との長きにわたるパートナーシップの始まりであり、施設内のスーパーコンピュータで実行されるCFD結果の後処理と視覚化に大きな影響を与えました。[ 3 ]視覚化は、スーパーコンピュータ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。

複数の画像を表示するハイパーウォール
1枚の画像を表示するハイパーウォール
NAS 施設のハイパーウォール可視化システムにより、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や、単一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の可視化専門家は「ハイパーウォール」と呼ばれる可視化システムを開発しました。これは49枚のLCDパネルを連結したもので、科学者は7×7の大型で動的なスクリーンアレイ上で複雑なデータセットを閲覧することができました。各スクリーンはそれぞれ独自の処理能力を備えており、データセットの表示、処理、共有が可能でした。そのため、1つの画像をすべてのスクリーンに表示することも、巨大なスプレッドシートのように「セル」単位でデータを表示するように設定することもできました。[ 34 ]

第2世代の「ハイパーウォール2」は、NASがColfax Internationalと共同で2008年に開発し、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台のLCDスクリーンで構成されています。2億5千万画素をレンダリングできるため、世界最高解像度の科学視覚化システムとなっています。[ 35 ] 128個のノードで構成され、各ノードには2基のクアッドコアAMD Opteronバルセロナ)プロセッサとNvidia GeForce 480 GTXグラフィックス・プロセッシング・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。[ 36 ]ハイパーウォール2は、InfiniBandネットワークを介してPleiadesスーパーコンピュータ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基のIntel Xeon「Ivy Bridge」プロセッサと128基の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約400ギガバイトになりました。[ 37 ]

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基のIntel Xeon Platinum 8268(Cascade Lake)プロセッサーと128基のNVIDIA Quadro RTX 6000 GPU、合計3.1テラバイトのグラフィックス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。[ 38 ]

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上で計算が実行されている間にも、データの分析と解釈を行うことができます。これは、実行時の監視、制御、終了のために計算の現在の状態を表示するだけでなく、「I/Oとストレージ容量の要件が大幅に削減されるため、後処理に比べてより高い時間解像度での可視化が可能になり、…[そして]通常は見えないシミュレーションの特徴も明らかにすることができます。」[ 39 ]

NASの可視化チームは、2005年にコロンビア・スーパーコンピュータ上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ました。このモデルは、国立ハリケーンセンター(National Hurricane Center)の大西洋ハリケーンシーズン予測に役立てられました。各予測の提出期限が厳しかったため、可視化プロセスがシミュレーションに大きな支障をきたしたり、シミュレーションの失敗を引き起こしたりしないことが重要でした。

参考文献

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NASA 高度スーパーコンピューティング リソース

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