Sierra (スーパーコンピュータ)

Sierra (シエラ) とは

Sierra（シエラ）は、アメリカ合衆国カリフォルニア州に所在するローレンス・リバモア国立研究所（Lawrence Livermore National Laboratory、LLNL）に設置された、極めて高い演算能力を持つスーパーコンピュータシステムです。公式にはATS-2（Advanced Technology System 2）としても知られており、主にアメリカ合衆国エネルギー省傘下の国家核安全保障局（National Nuclear Security Administration、NNSA）が推進する、核兵器の備蓄管理プログラムに必要な高度な計算科学タスクを遂行するために運用されています。

背景と開発

Sierraの開発は、米国政府が進める次世代の高性能計算インフラ構築計画の一環として進められました。特にNNSAは、核実験に頼らずに核兵器の安全性、セキュリティ、信頼性を維持するための科学的根拠を得る目的で、高度な計算能力を必要としています。Sierraは、同時期に開発されたオークリッジ国立研究所（Oak Ridge National Laboratory、ORNL）に設置されたスーパーコンピュータSummitと非常に類似したアーキテクチャを採用しており、両システムは「CORAL」プロジェクトという共通の枠組みの中で計画されました。これにより、開発コストや技術的課題の共有、ソフトウェア環境の統一といったメリットが生まれました。

アーキテクチャとハードウェア構成

Sierraの心臓部を構成するのは、高性能な計算ノード群です。各ノードは、IBMが設計したWitherspoon S922LC OpenPOWERサーバーモデルを基盤としています。このサーバーは、複数のIBM POWER9プロセッサ（CPU）と、汎用計算能力に優れた複数のNVIDIA Tesla V100 GPU（Graphics Processing Unit）を組み合わせています。特にGPUは、深層学習や複雑なシミュレーションなど、並列処理が可能なタスクにおいて、CPU単体よりも格段に高い演算性能を発揮します。

当初、設計段階では1つのPOWER9 CPUに対して3つのTesla V100 GPUを接続する構成が検討されていましたが、最終的なシステムの実装においては、技術的およびコスト的なバランスを考慮した結果、1つのPOWER9 CPUに対して2つのTesla V100 GPUを接続する構成が採用されました。このCPU対GPUの比率は、多くの科学技術計算アプリケーションにおいて高い効率を実現するように最適化されています。

高速ネットワーク

Sierraを構成する数千もの計算ノードは、単独で機能するのではなく、高速なネットワークによって相互に接続されています。このノード間通信には、Mellanox Technologies（現在はNVIDIAの一部）によって開発されたEDR (Enhanced Data Rate) InfiniBand技術が使用されています。InfiniBandは、非常に低い通信遅延と高い帯域幅を提供するネットワーク技術であり、大規模な並列計算を行うスーパーコンピュータシステムにおいて不可欠な要素です。

特に、ノード間で大量のデータを頻繁に交換する必要がある科学技術計算アプリケーションでは、InfiniBandのような高速ネットワークの性能がシステム全体の効率に大きく影響します。SierraにおけるEDR InfiniBandネットワークは、ノード間の協調計算をスムーズに行うことを可能にし、システム全体の高性能を引き出す上で重要な役割を担っています。

用途と貢献

Sierraの主な目的は、核安全保障に関わるミッション、具体的には核兵器の物理現象シミュレーション、材料科学、流体力学などの高度な計算科学研究です。例えば、核兵器の経年変化による性能への影響評価や、代替物質の検討、非核実験体制下での安全性・信頼性の維持といった極めて重要なタスクが、Sierraの計算能力によって支えられています。しかし、その高い性能は核安全保障分野に限定されず、天体物理学、気候変動モデリング、ゲノミクス、新素材開発など、幅広い科学技術分野の研究にも活用されています。

関連技術と位置づけ

Sierraは、世界のスーパーコンピュータの性能を競うTOP500リストにおいても上位にランクインするなど、その性能が高く評価されています。類似アーキテクチャを持つSummitや、他のNNSAシステムであるTrinityなど、他の主要なスーパーコンピュータシステムと並んで、米国の計算科学インフラを牽引する存在です。また、サーバーの低レベル管理を行うためのオープンソースプロジェクトであるOpenBMCのような技術とも関連があります。

Sierraは、現代の複雑な科学技術課題の解決に不可欠な計算能力を提供することで、国家安全保障と科学の進歩に大きく貢献しています。

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