スーパーコンピュータ「富岳」開発プロジェクトを振り返る

3．プロジェクト経緯

調査研究が進む中，理化学研究所は2013年に以下の三つのシステム設計の考えを基にした，計算ノードに汎用CPUと加速部から構成されるシステムを，ポスト「京」として提案した。

1. サイエンスドリブンで設計を進める。すなわち，「今後のHPC技術開発に関する報告書」にある計算科学ロードマップ（第2版）に基づき，社会的・科学的課題解決に必要な計算資源を提供することを目的として設計を進める。
2. サステイナブルなシステムであること。「京」の後継機として「京」の資産を受け継ぎ，そして将来の計算機システム発展動向を見据えたシステムとする。
3. TCO（Total Cost of Ownership）を考えたシステムであること。低消費電力，ソフトウェア高移植性，高耐故障性を有するシステムを設計する。

この時の総合科学技術会議（現在の総合科学技術・イノベーション会議）の資料［4］にもあるとおり，消費電力30～40 MWで理論演算性能1エクサフロップス級を有することとした。また開発目標は，「京」の100倍のアプリケーション実効性能を目指すこと，2020年から運用可能で優れた性能電力比と幅広いアプリケーション実行環境を有するエクサスケールマシンを実現するために，アプリケーション開発者とハードウェア開発者とともにアプリケーションおよびハードウェアのコデザイン（協調設計）を行うこと，としていた。

プロジェクトが正式に開始された2014年早々に最初の転機があった。理化学研究所は加速部も含めた開発・製造費用に関して精査し，文部科学省「将来のHPCIシステムのあり方の調査研究」に諮った。その結果，加速部の開発は技術自体の実現可能性は十分に見込まれるが，開発・製造経費が多額であり，システムとして競争力を持つためには広い需要を得る必要があると評価され，本開発プロジェクト内での開発を断念した。代替案として，加速部としてGPUを採用することも検討したが，必要とされる性能を満たすGPUの登場時期が不明確であり，ポスト「京」開発を遅延なく遂行するためには，GPUの採用は適切ではないと判断した。

このような経緯から，総事業費の範囲内で，幅広いアプリケーションを高い実効性能で利用できるシステムとする必要があることから，演算加速部を採用せずに，当該資源を汎用部の拡大に用いるという選択をした。ここで，元々のシステム目標である理論演算性能1エクサフロップス級という数値が問題になった。

富士通との調査研究では8タイプのアーキテクチャーを評価していたが，その一つを基にすれば当初の理論性能目標を達成できる可能性があった。しかし，このアーキテクチャーはLinpackで1エクサフロップス性能が見込めても，プロジェクト目標である幅広いアプリケーション実行環境を提供するという点で受け入れられず，我々はこのアーキテクチャーを採用しなかった。社会的・科学的課題解決に必要な計算資源を提供するという観点で支障をきたさず，またコデザインによるアプリケーションレベルでの実効性能として最大で「京」の100倍を目標とし，汎用部のみで構成されるシステムを，文部科学省「次期フラッグシップシステムに係るシステム検討ワーキンググループ」に提案した。この提案が議論され，「次期フラッグシップシステムに係るシステム検討ワーキンググループ報告書」としてまとめられた［5］。

理化学研究所と富士通との研究開発契約は，一般公募を経て2014年10月から開始された。そして，文部科学省が選定した九つの重点課題実施機関とともに，ハードウェアとソフトウェアのコデザインを進めた。各重点課題実施機関からアプリケーションを選定してもらい，それらのターゲットアプリケーションの実行効率を高めるべく，ハードウェアおよびソフトウェアの設計を進めた。ハードウェア・システムソフトウェア系の開発に13のWG（ワーキンググループ）を，アプリケーション系に九つのWGを設置し，当初は毎日複数のWGが開催され活発に設計が進んでいった。開発初期から，アプリケーション開発者とともにハードウェアおよびシステムソフトウェアの設計・開発を密に進められたことにより，システム開発者はアプリケーションの特徴を認識し，アプリケーション開発者はハードウェアやシステムソフトウェアの構造および性能限界を認識することができた［6］。また，アプリケーション開発者は早期のソフトウェアチューニングが可能となった。

もう一つの転機は，半導体製造技術の遅延であった。本プロジェクトの研究開発計画は，調査研究期間である2012年頃に調査した半導体製造技術の将来動向を基に策定したものであった。この当時，ポスト「京」のCPUは10 nm微細加工技術を利用することで開発を進めていた。しかし，2016年には10 nm微細加工技術の雲行きが怪しくなり，この技術では我々が必要とする性能は達成できないことが判明した。選択肢は二つあり，このまま開発期限を変更せず目標性能を落として進めるか，次の微細加工技術7 nmをターゲットに開発を遅延させるか，のいずれかであった。様々な議論があったが，開発期間を1年から2年延伸するとともに新たなる付加価値を付けることにした。2016年5月末頃，理化学研究所は付加価値の一つとして，半精度浮動小数点演算の実装可能性を富士通に打診した。富士通は開発工程の更なる遅延を危惧し当初否定されたが，Arm V8 SVE（Scalable Vector Extension）最終仕様に半精度浮動小数点演算命令が定義されたため，富士通もA64FXに本命令を実装した。AI応用分野では半精度浮動小数点演算が使われており，今AI応用分野にも「富岳」が利用されようとしている。あの時に富士通が大英断を下されたことに感謝する次第である。

2018年夏には，ポスト「京」試作機が富士通沼津工場で稼働し，設計通りの性能が達成され，またLinuxカーネルもemacsのようなツールも動作した。これによって，改めて富士通の技術力の高さを認識した次第である。海外ではCPUの初版はOSカーネルすらまともに動作しない場合が多く，大抵のCPUは大きく3回の改変を経て実用化されている。富士通は，この後最終版をテープアウト（設計完了）した。

ポスト「京」試作機の評価結果を基に，文部科学省HPCI計画推進委員会および総合科学技術・イノベーション会議の審議を経て製造が認められ，実機の製造が始まった。理化学研究所への実機の搬入は2019年12月3日から開始され，2020年5月13日に終了した。その後は，2020年12月末まで富士通による設置調整が続く。