スパーコンピュータ「京」の研究
2015/12/05
理化学研究所にて

コンピュータの５大機能

　スパーコンピュータもパーソナルコンピュータも①入力機能②記憶機能③演算機能④制御機能⑤出力機能は同じで、
これをコンピュータの５大機能といいます。その５大機能の処理手順について述べます。
　　　　　　

①	入力装置（キーボード、マウス等）にデータ・命令が入力され、記憶装置に伝達、記憶される。記憶装置には、プログラムやデータがCPUによって処理されるときに一時的に保管される記憶装置を主記憶装置（メモリ）といい、恒久的に保管される場所を補助記憶装置（ハードデスク）という。
②	記憶装置に蓄えられたデータ・命令は、演算装置が理解できる単位に分割され、演算装置に渡される。
③	演算装置では渡されたデータ・命令を理解し、処理を行い、結果を記憶装置に渡す。
④	記憶装置に蓄えられた処理結果は出力に適した形式に蓄えられ、出力装置（ディスプレイ、プリンター）に渡される。出力装置に渡された結果を出力する。

①～④の処理は、各装置が独立して行う事はなく、すべて制御装置の管理・指示のもとに実行される。
CPU（Central　Processing　Unit）中央演算処理装置といい、コンピュータの演算と制御を行う。CPUは人間に例えると
頭脳に当たります。

　　　　　　　　　　※英数字や記号などは１バイトで、漢字など日本語は数が多いので２バイトで表します。
　　　　　　　情報量（記憶容量）を表すＫは大文字のＫで表す。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　スパーコンピュータ「京」の1CPU あたり、128GFLOPS の性能を実現し、
CPUは総計82944個で構成されていますので、
　FLOPSというのは、一秒間に何回浮動小数点演算が出来るかを表しています。
浮動小数点とは複雑な科学計算などで使用する桁数の大きい数値を表現するためのものです。
したがって、１京＝１０P（ペタ）だから、スパーコンピュータ京の性能は10P（ペタ）FLOPS
といわれています。

　スパーコンピュータ「京」のFLOPSを求めてみました。

神戸新聞　2019年(令和元年）８月２９日

　今日（８月１９日）の神戸新聞でスパコン「京」の１秒間にできる回数が
１京５１０兆回計算できるとの記事が神戸新聞に掲載していました。
　私が、スパコン「京」のFLOPUSを計算した結果１０．６Ｐ(ペタ）つまり
１．０６京となり、これを兆に直すと約１京６００兆回の計算結果となりました。
そして、小数第３位四捨五入したので誤差が生じたと思いますが、
ほぼ同数値となり、この計算式が正しいことが証明されました。

　また、この記事ではスパコン「京」はパソコンの何倍の早さであるかを
計算してみると、１京回/秒÷１０００億回/秒＝１０万となりました。
つまり、スパコンはパソコンの速さの１０万倍であることが分かった。
　パソコンの機能は、日々高機能に変化していますので、倍数も変化
していきます。スパコン「京」も近未来には性能が逆転するのではないかと
思います。
　そして、スパコン「京」の後続機として「富岳」も登場し、スパコン
「京」の１００倍です。
　尚、私のパソコンの速さがスパコン「京」の何倍あるか計算
してみました。
詳しい計算式は、下記に述べていますので参考にしてください。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2019/08/29　タッチ

要するに、スパーコンピューター「京」は
1秒間に1京（10000000000000000）回計算できるのです。
スーパコンピュータの名前はここから生まれました。

京とはどれ位の数でしょうか？
表にまとめてみました。

大きさ・規模（国際単位系）

　※大きさ(規模）を表す単位ｋは小文字のｋで表す。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
スパーコンピュータ「京」の速さはパソコンの何倍か？

ソフトウェア編

スパーコンピュータ「京」によって何が出来るか

知りたい現象について、
式を立てる。

方程式を、+、-、×、
÷の式にする。

解き方（アルゴリズム）
を考え、プログラムにする。

スパーコンピュータ
で計算する。

シミレーション
結果。

身近なところで知りたい現象について、式を立てみました。

事例1　ビリヤードの玉の
　　　　　軌跡のモデル化

ビリヤード台上の玉の動きに影響を与える要素は次の通りである。

・台の大きさ・つくときの球の位置・つく方向・つく強さ

・球の回転・台と玉の反発係数・空気抵抗・転がり摩擦

・他の玉の配置・穴の位置

ここでは、台の大きさ・つくときの球の位置・つく方向の三つの要素を選択することにする。

　次に、玉の速度や時間の経過を考慮しないで、ついてから台に二度当たるまでの玉の軌跡を
静的モデルとして表現することにする。

　ビリヤード台を長方形OABCとその内部で表現し、球は点Ｑ（ｘ、ｙ）で表現する。

球の最初の位置を点Ｑ_０(ｘ₀,ｙ₀）とし、球が最初に台に当たる場所を点Ｑ₁（ｘ_1,ｙ₁）、
二度目に台に当たる場所を点Ｑ2（ｘ₂,ｙ_２）とする。球をつく方向は、直線Ｑ₀Ｑ₁の傾きｍで表す。

さまざまな場合を検証してみる

球が角に当たった場合	球をＯＡと平行についた場合

事例２　打球はどこまで飛ぶか
　　　　　打球の軌跡のモデル化

打球の位置に影響を及ぼす要素は次の通りである。

・初速度・打上げ角・空気抵抗・風

・球の回転・地球の重力

ここでは、・初速度・打上げ角・地球の重力の三つの要素を選択することにする。

　打球が打ち上げられた時点からの経過時間を変数とする動的モデルを作成する。
水平方向の位置と垂直方向の位置を算出するために、速度も水平方向と垂直方向に分けて考える。
　つまり、初速度と打上げ角から、水平方向の初速度と、垂直方向の初速度を算出する。

解説

事例２より次の問いに答えなさい

　（問１）甲子園球場の打者からバックスクリーンまでの距離は１１８ｍでフェンスの高さは２．６ｍです。ホームランを打つには
　　　　　初速度、打上げ角をいくらにしたらよいか。

結果

　初速度・打上げ角の数値を変えてみてシミュレーションしてみた。
すると初速度34.65ｍ/秒（時速１２４．７４ｋｍ／時）、打上げ角４５°
でホームランになることが分かった。

（問２）　ホームランの打球の軌跡は放物線を描くことを証明せよ。

(問３）最も飛距離が出る角度を求めよ。

(問４）バックスクリーンまで118ｍであり、フエンスの高さは2.6ｍです。
　　フエンスの上空何ｍで通過するか。

より現実の動きに近づけるには

　時刻ｔからｔ+1までの間も、打球の速度は重力や空気抵抗の影響を受けて刻一刻と変化する。より正確な
シミュレーションをするには時刻の変化量を⊿ｔとして⊿ｔの値を出来るだけ小さくすればよい。
　⊿ｔを限りなく０に近づけることでより正確なシミュレーションが期待できる。連続時間モデルを数式モデルで
完全に表現するならば⊿ｔ→0であり、計算量→∞となる。スパーコンピュータが必要とされる理由がここにある。

2020/04/12　タッチ

どんな所で活躍しているか

まとめ

　私のパソコンのCPUはCore i7です。スパーコンピュータは最上位機種のCPU（Core i7）
を内臓したパソコンを２１万台並べたものになります。
　尚、Core i7はintel製ですが、スーパーコンピュータ「京」のCPUはSPARC64TMⅧｆｘ
は富士通製なので、スパーコンピュータは富士通と理化学研究所で共同で開発された
国産なのです。
　速さの秘訣は、前述のように、スパーコンピュータ「京」はCPUが82944個あり、
パソコンはCPUが１個しかありません。スーパーコンピュータはこのCPUを８万個以上使って
並列計算をしています。
　並列計算とは、例えばかけ算１問解くのに１秒かかるとして１００問を１人で解ければ
１００秒かかるよね。それなら１００人で解けば１秒で解けますね。分担すれば、すぐに終わる。
これが並列計算の仕組みです。
　しかし、スーパコンピュータ「京」は82944個のCPU（SPARC64TMⅧｆｘ）を並べています。これを
ネットワークとして制御しなければなりません。そこでICC（インターコネクトコントローラ）を開発
しました。ICCはネットワーク（インターコネクト）は並列計算するための十数万台のパソコンを
ネットワーク化する技術なのです。
　この様に、スパーコンピュータ京は１秒間に１京回計算できる速さを持った技術で、ゲリラ豪雨
の予測、環境に優しい燃費の良い車の研究等、私達の日常生活と直結する研究をされています。
きっと、スパーコンピュータによってよりよい生活を送ることが出来るでしょうね。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2015/12/27

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　タッチ

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