Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

並列プログラミング環境 / 分散共有記憶 / 科学技術計算 / 生命情報科学 / データ一貫性制御 / MPI / グリッドコンピューティング / バイオインフォマティクス / データー貫性制御 / 分子動力学法

多様な並列・分散システムのハードウェア基盤に対し、分散する様々な計算機資源を有効に利用し、利用者がハードウェア基盤の多様性を意識しないで分散するデータを効率的に共有することのできる並列プログラミング環境を開発した。本ソフトウェアは、1.大域的なデータの管理を行い、データを利用者の指定やシステムの自動的な割当てによって配置する資源管理システム、2.共有メモリに基づくプログラミングモデルを提供する並列プログラミング環境、3.その上に実現される大域的配列(行列)操作ライブラリから構成される。本研究では、現実の利用を考え、共有データ領域へのアクセスに関する部分以外は、既存のプログラムの変更がほとんど必要ないようにした。また、データの配置や複製の作成について、資源管理機構を実現し、それらの半自動化を図った。本ソフトウェアでは、各ノードが巨大な配列の部分的なレプリカを保持することにより、効率的なデータ共有を実現する。レプリカは互いに重複して保持することができ、しかも動的にその範囲を変更できるようにしている。そのため、重複部分のデータ管理には、申請者らが開発したグループメンバシッププロトコルを採用し、非同期に封鎖することなく、レプリカの維持・管理が行えるようにした。開発したシステムを、遺伝子クラスタリシグ、配列のマルチプルアラインメント、分子動力学計算など、生命情報科学の現実のアプリケーションに対して適用し、分散するデータを効率的に操作・管理できること、MPIのプログラムと比較して、ノード数が増大してもスケーラブルな性能が得られることを確認し、本システムの有効性を実証した。

並列計算 / 並列プログラミング環境 / MPI / プロセッサ割当て / スケジューリング / 分子動力学法 / 計算化学 / 分子動力学計算 / 大規模並列計算機 / 科学技術計算 / 動的資源管理 / 分子動力学シュミレーション / エネルギー最小化計算

本研究では、動的資源管理機能を備えた大規模並列システムのための並列プログラミング環境Parsleyを開発し、計算化学の諸問題に適用して、その有用性を実証した。Parsleyでは、アプリケーションプログラムは並列処理可能な部分問題(サプタスクと呼ぶ)に分割され、それらを単位としてプロセッサが割り当てられ実行される。サブタスク間には、実行の先行制約が依存関係として定義され、それとともにサブタスクグラフが形成される。システムはそのサブタスクグラフの内容に従ってプロセッサの割り当て(スケジューリング)を行う。サブタスクの定義は、物理的なハードウェア構成とは独立であり、また、サブタスク間の通信も実行時にプロセッサ間の通信(MPIの通信命令)に変換される。このように、基盤となるハードウェア環境およびアプリケーションに適応した並列化を実現することを目指している。分子動力学シミュレーション(MD)をParsley上に実現し、BPTI+水系(原子数16735)を対象に日立SR2201(プロセッサ数125台)上で実行したところ、Parsley上のMDで、従来の空間分割法のMDに比べて3.49倍の性能向上を達成した。また、Lysozyme+水系(原子数19754)では、日立SR2201(プロセッサ数175台)上で、3.8倍の性能向上を達成した。さらに、本研究では、タスクグラフに繰返し構造がある場合、タスクの実行の履歴をもとに、スケジューリング方式を自動改善する機構を開発した。基本的な方針は、定期的にスケジューリングを行い、その都度、遅れている処理ほど優先的にプロセッサを割り当てるとともに、タスクの実行時間に基づいて、その先のタスクグラフを再構築するというものである。分子動力学法にこの機構を適用し、クラスタ型並列計算機上で性能評価を行った結果、プロセッサ台数が16台のとき、プロセッサ使用率を55%向上させることができ、実行時間を9.6%短縮するという結果を得ることができた。

【研究分担者】
中村周吾	東京大学	大学院・農学生命科学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
池口満徳	東京大学	大学院・農学生命科学研究科	助手	(Kakenデータベース)