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- 1. 理化学研究所 計算科学研究センター プロセッサ研究チーム リーダ 佐野 健太郎 第1回 ACRi討論会 ポストムーア時代の未来予想 〜FPGAエンジニアにとって、次の10年のモチベーションを考える〜 2021/5/28
- 2. 2 A Sendai B Tsukuba C Wako D Tokyo E Yokohama F Nagoya G Osaka H Kobe I Harima A B C D E F G H I 理化学研究所 計算科学研究センター スーパーコンピュータ富岳の開発と運⽤ スーパーコンピュータを⽤いた研究 のための最先端インフラの整備と普及 HPCに関する先端的研究 プロセッサ研究チーム 将来の⾼性能計算機アーキテクチャ 現在のHPCシステムの⾼度利⽤ 東北⼤学 理研R-CCS連携講座 ⼤学院情報科学研究科 「先進的計算システム論講座」 2021/5/28 第１回ACRi討論会 ⾃⼰紹介︓佐野 健太郎 ⾃⼰紹介︓佐野 健太郎 Riken Center for Computational Science Supercomputer Fugaku Kobe city チーム研究員公募中 「R-CCS2022 公募」 で検索︕
- 3. 3 命令実⾏型の「汎⽤プロセッサ」に代わる、特化型計算機アーキテクチャ 2021/5/28 第１回ACRi討論会 これまでの研究（2006年〜） これまでの研究（2006年〜） シストリック計算メモリアーキテクチャ （2006~2011） 流体, 電磁場, 伝熱問題のステンシル計算。自作FP演算器 世界初のFPGA流体計算 スケーラブルパイプラインアーキテクチャ （2008~2012） 複数FPGAによる超長パイプラインにより 帯域一定で性能向上（260GF @1GB/s） データ圧縮によるデータ帯域向上ハードウェア （2009~） PDEの解などの連続性を持つ浮動小数点データ向け 計算中の数値データを可逆圧縮し、メモリやネット ワークの実効帯域を２～４倍に拡張 流体計算専用計算機 （2012~2017） 複数FPGAによる 高スケーラビリティ並列計算 実用問題のストリーム計算を FPGA上に専用ハードウェア化 計算メモリ、 シストリックアレイ ハードウェアループアンロール、 ストリーム計算の超⻑パイプライン データの冗⻑性排除・専⽤ハード処理 データフロー、 専⽤回路、専⽤網、 並列ストリーム計算
- 4. 4 実⽤化に向けたシステム研究（ソフト・ハード） 2021/5/28 第１回ACRi討論会 これまでの研究（2015年〜） これまでの研究（2015年〜） 密結合FPGAクラスタ データフロー計算を FPGAにオフロード FPGA間専⽤ネットワーク ストリーム計算回路コンパイラ SPGen: Stream Processor Generator DFG記述からデータフローによる ストリーム計算回路を⾃動⽣成 数値計算のアクセラレーション 津波シミュレーション専⽤計算回路 流体シミュレーション専⽤計算回路 多体問題専⽤計算回路 DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA DRAM FPGA CPU DRAM FPGA CPU DRAM FPGA PCI-Express (x8) DRAM FPGA DRAM FPGA CPU CPU Intra-node network Computing node w/ FPGA boards Inter-FPGA network (Accelerator-domain network, ADN) General-purpose network FPGA間 ネット ワーク 津波計算︓GPU⽐で 実効性能 2倍 電⼒性能⽐ 10倍 IEEE, ACM, Elsevier, IEICE 論⽂誌 後の実験システム ESSPERの原型
- 6. 6 破壊的⾰新（Disruptive Innovation） 「古い世代を陳腐化に導くような⾰新」 トランジスタ, 集積回路, マイクロプロセッサ, FPGA, GPGPUの発明 深層学習の台頭 指数関数的な⾰新（Exponential Innovation） 「継続的に発展していく⾰新」 ムーアの法則 周期性を持つ⾰新 （Cyclical Innovation） 「時間軸に沿った 周期的変化を伴う⾰新」 牧本ウェーブ 2021/5/28 第１回ACRi討論会 １）今後10年でどのような変⾰（パラダイムシフト） が起きると予想されますか︖ １）今後10年でどのような変⾰（パラダイムシフト） が起きると予想されますか︖ T.Makimoto, IEEE Computer, 2013
- 7. 7 2021/5/28 第１回ACRi討論会 １）今後10年でどのような変⾰（パラダイムシフト） が起きると予想されますか︖ １）今後10年でどのような変⾰（パラダイムシフト） が起きると予想されますか︖ 牧本ウェーブ [T.Makimoto 2013] 指数関数的⾰新 ムーア則による性能向上の停滞・限界 破壊的⾰新 マイクロプロセッサの性能向上鈍化、 既存アーキテクチャからの転換の必要性 多様なアーキテクチャ製品の登場 デバイスの「多様化」 アーキテクチャのカンブリア爆発 周期性のある⾰新 （⽣産性）標準型 ⇔ 特化型（性能・効率） 特化型 = カスタム化（専⽤） 標準型 = プログラマブル（汎⽤） FPGAは特化型要素を持つ標準型デバイス 開発やプログラミングの⽣産性の問題
- 8. 8 2021/5/28 第１回ACRi討論会 次の10年は専⽤による汎⽤の時代︕︖ 次の10年は専⽤による汎⽤の時代︕︖ Algorithms Libraries and APIs Language Architecture/ computing model ISA Microarchitecture Functional units Logic Device System stack CPU プロセッサベースの 汎⽤システム オーバーヘッド アプリ 専⽤システム アプリ プログラマブル ドメイン専⽤による 汎⽤システム Acc Acc Acc Acc Acc アプリ・ドメイン プログラマブル プログラマブル = あとで決めて良い
- 9. 9 特化型にしないと達成し得ない性能がある ただし、極端な「少量多品種」デバイスになるとは限らない プログラミングの⽣産性が課題 アーキとアプリのコデザインが求められる Open Innovation が重要 産業・学術分野からの幅広い参画が必要 2021/5/28 第１回ACRi討論会 アーキテクチャ多様化が進む アーキテクチャ多様化が進む John L. Hennessy, David A. Patterson, Communications of the ACM, Feb 2019. Graphcore PFN MN‐Core Groq Cerebras SambaNova Wave computing XILINX VERSAL
- 10. 10 2021/5/28 第１回ACRi討論会 ポストムーア時代を⾒据えて どのような研究をされていますか︖ ポストムーア時代を⾒据えて どのような研究をされていますか︖ 富岳の⾼度化の研究・特化型HPCの研究 FPGAによる⾼性能計算︓富岳機能拡張とそのエコシステム タスクフローに基づく処理系とシステムソフト・アプリ ⾼性能計算機アーキテクチャ・プロセッサの探求 粗粒度リコンフィギャラブルアーキテクチャ（CGRA）等の新しいプロセッサ 汎⽤CPU・ノードの機能拡張⽅式、プログラミングモデル 新しい計算原理の探求 ニューロモーフィック計算とそのサイバーフィジカル応⽤、等 ポストムーア時代に適した ⾼性能 計算機アーキテクチャやシステムの確⽴ 2020 2021 2022 2023 2024 2024 2025 2026 汎⽤システム 汎⽤だがドメイン指向 ドメイン特化型
- 12. 12 アーキテクチャ多様化の時代 プログラミングの⽣産性が課題 Open Innovation が重要︓アプリ・プログラミングモデル/⾔語・アーキのコデザイン ハードウェアレイヤーのOpen Innovationを⽀える鍵 半導体デバイスはユーザレベルでは何ともし難い FPGAであれば、アーキテクチャより上位をOpenコミュニティで研究開発できる（例︓RISC-V） 「FPGAでしか」できないこと 超汎⽤デバイスでかつ、ソフトウェア実⾏では実現できない性能・機能を達成可 任意精度演算（例︓DNNの推論、Spiking-NN）、ニア X 処理（ニアメモリ・ニアNW、ニアセンサ） 新しい応⽤を開拓する基盤となり、新応⽤が⾒つかればそれに即対応できる「フロンティア」デバイス （メジャー化したら、ASICに取って代わられるが・・・） FPGA = 様々な応⽤が期待される分野で、オープンコミュニティの研究開発を⽀える基盤 デバイスを所有するのではなく、オープンかつ標準プラットフォームをクラウドで共有する時代 2021/5/28 第１回ACRi討論会 ２）今後10年におきるパラダイムシフトでFPGAは どのような位置を担うことが出来ると予想されますか︖ ２）今後10年におきるパラダイムシフトでFPGAは どのような位置を担うことが出来ると予想されますか︖
- 13. 13 2021/5/28 第１回ACRi討論会 「FPGAでしか」できないこと 「FPGAでしか」できないこと Algorithms Libraries and APIs Language Architecture/ computing model ISA Microarchitecture Functional units Logic Device System stack CPU プロセッサベースの 汎⽤システム オーバーヘッド アプリ 専⽤システム アプリ FPGA FPGAベースの 汎⽤システム アプリ・ドメイン プログラマブル プログラマブル ドメイン専⽤による 汎⽤システム Acc Acc Acc Acc Acc アプリ・ドメイン プログラマブル プログラマブル = あとで決めて良い オープンイノベーション
- 14. 14 FPGAによるオープンな研究開発やイノベーションでは、 従来に増して「幅広い知識や経験」が求められる 回路・マイクロアーキテクチャ システムアーキテクチャ ⾔語、コンパイラ、開発ツール システムソフトウェア アプリケーション、数理問題 スキル・技術も重要だが 学術的な基礎知識や バックグランドを学ぶ必要 深い専⾨性 国際連携も益々⼤事 英語圏の⼈々と付き合えること 世界で売れるイノベーション 2021/5/28 第１回ACRi討論会 ３）パラダイムシフトに向けて、 若⼿エンジニアへどういったアドバイスをされますか︖ ３）パラダイムシフトに向けて、 若⼿エンジニアへどういったアドバイスをされますか︖