Message Passing Interface

Message Passing Interface (MPI) の概要

Message Passing Interface（MPI）は、複数のプロセッサ間でメッセージをやり取りすることで並列処理を行うための標準規格です。様々なハードウェアやソフトウェア環境で動作する並列プログラムを作成するために設計されており、高性能コンピューティングにおいて広く利用されています。MPIはライブラリとして提供され、C言語、Fortran、C++など複数のプログラミング言語から利用可能です。

MPIの主要な特徴は、以下の通りです。

標準化されたインターフェース: MPI Forumによって規格が厳密に定義されているため、異なるプラットフォーム間での移植性が非常に高いです。一度作成したMPIプログラムは、異なるアーキテクチャのコンピュータでも、最小限の変更で動作させることができます。
言語非依存性: MPIライブラリは、特定のプログラミング言語に依存しません。C、Fortran、C++などの様々な言語からMPIの機能を利用できます。これにより、プログラマは自身の得意とする言語で並列プログラムを開発することができます。
柔軟な並列化: MPIは、プログラマに細かい制御を許容します。通信方法やデータ転送方法をプログラマが自由に選択できるため、アプリケーションの特性に合わせた最適化が可能です。しかし、この柔軟性ゆえに、プログラマは並列処理における複雑な問題（例えば、デッドロックの回避、データの一貫性維持など）を自身で解決する必要があります。
高性能: MPIライブラリは、各ハードウェアプラットフォームに合わせて最適化されているため、高い実行性能が期待できます。

MPI の歴史

MPIの開発は1991年夏、オーストリアでの小規模な研究者グループによる議論から始まりました。翌年には、分散メモリ環境でのメッセージパッシング規格の標準化に関するワークショップが開催され、標準化に向けたワーキンググループが設立されました。ジャック・ドンガラ氏らを中心としたワーキンググループは、MPIのドラフト規格を策定し、1994年にはMPI 1.0がリリースされました。その後もMPIは継続的に改良され、MPI-2、MPI-3といったバージョンアップが行われ、並列I/Oや動的プロセス管理などの新機能が追加されています。

MPI のアーキテクチャ

MPIは、プロセッサ間通信をメッセージパッシングという方法で行います。メッセージパッシングとは、プロセッサ間でデータ（メッセージ）を交換することで、情報共有や協調動作を実現する方法です。MPIでは、Point-to-Point通信（2つのプロセッサ間の直接通信）と集団通信（複数のプロセッサが同時に参加する通信）の両方がサポートされています。

MPIの実装は、いくつかの主要なライブラリが存在します。

MPICH: アルゴンヌ国立研究所を中心に開発された、広く利用されているMPI実装です。
Open MPI: 複数のMPI実装を統合した、オープンソースのMPI実装です。移植性と柔軟性に優れています。
* Intel MPI Library: インテル社が提供するMPI実装です。インテルプロセッサ上で高い性能を発揮するように最適化されています。

MPI プログラミング

MPIプログラミングでは、MPIライブラリが提供する関数を使用して、プロセッサ間の通信を制御します。MPIライブラリの関数は、メッセージの送信、受信、ブロードキャスト、集約など、様々な通信パターンをサポートしています。

MPIプログラムは、通常、複数のプロセスから構成されます。各プロセスは、MPIライブラリの関数を呼び出して、他のプロセスと通信を行い、協調して計算を実行します。

MPI の応用例

MPIは、科学技術計算、シミュレーション、ビッグデータ処理など、様々な分野で利用されています。特に、大規模な並列計算が必要なアプリケーションにおいて、その威力を発揮します。例えば、気象予報、地震シミュレーション、遺伝子解析などの分野では、MPIが広く用いられています。

まとめ

MPIは、並列コンピューティングにおいて重要な役割を果たす標準規格です。その高い移植性、柔軟性、性能により、大規模な並列計算アプリケーション開発に最適なツールとなっています。ただし、MPIプログラミングは、並列処理に関する深い知識と理解を必要とするため、習得にはある程度の努力が必要です。

参考文献

本文中に記載されている書籍およびウェブサイトは、MPIの学習に役立つ貴重な情報源です。これらの資料を参照することで、MPIのより深い理解と、実践的なプログラミングスキルを習得することができます。

もう一度検索