2021.06.10
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匸P　　コーヒーブレイク　

　　　「スパコン富岳」後の日本
　　　　　　科学技術立国は復活できるか

　　　　　　　　　　　　　小林雅一著 　　　中公新書ラクレ　2021.03.10
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　理科学研究所のスパコン富岳は、2020年6月、TOP500性能評価で4冠を達成した。
　浮動小数点演算処理能力LINPACKは、416ペタ・フロップスで、それまで米国の
サミットが持っていた149ペタ・フロップスを大幅に塗り替えた。
　アプリケーション性能を評価するHPCGは、1万3400テラ・フロップス、
　AI計算能力の指標HPL-AIは、1.421エクサ・フロップス、
　ビッグデータの解析能力を測定するGraph500は、7万980ギガ・テップスであった。
　フル稼働した2020年11月には、LINPACKで、442ペタ・フロップスを記録している。
　富岳が唯一逃した消費電力Green500の1位は、日本のAI開発ベンチャーPFNが開発した
「MN-3」であった。1ワットあたり21.1ギガ・フロップスを達成している。
　同一国のスパコンが全5部門で1位を独占したのは史上初の出来事だった。
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【電子立国日本】
　電子立国日本復活の兆しが見え始めた。9月にはデジタル庁がスタートする。
　日本産業の生産性は未だに低いが、知的創造性に関する底力はまだ衰えていない。
　2019年7月11日、はやぶさ2が小惑星リュウグウから帰還した。2014年に飛び立った
この衛星は念願のサンプルリターンに成功し、はやぶさの後継として重要な仕事を
成し遂げてくれた。2003年に打ち上げられた初代はやぶさは、2010年6月10日に生還
した。2005年11月26日、イトカワに2度目の着陸を試みたあと、姿勢を崩し通信が
途絶えた。七週間後に奇跡的に通信が復活、姿勢を回復し、その後、長い待機のあと
帰還軌道に投入され、傷だらけの生還を果たした。快挙を称える映画も製作された。
　富岳を理研と共同開発した富士通は、あまり知られてはいないが、このはやぶさ
プロジェクトで軌道計算プログラムを担当した。富士通の技術者は、はやぶさ固有の
軌道のクセを解き明かし「軌道決定システム」「衛星状態のリアルタイムモニタ・
異常診断システム」を開発して、はやぶさを正確な帰還ルートに導いた。
　日本の衛星開発には長い歴史がある。初代の気象衛星ひまわりは、1977年7月14日に
アメリカ・ケープカナベラルから打ち上げられ、赤道上空の静止軌道に投入された。
　1984年のひまわり3号の頃になると、打ち上げロケット、衛星、送受信装置、
地上の画像処理まで、ほとんど日本の技術で完成させている。
　80年代後半は、日本のIT産業がひとつのピークを迎えた時期であった。
　だがこの頃、アメリカは世界最速のスーパーコンピュータ、クレイに誇りを
持っていて、このスパコンをごり押しで日本の政府機関に購入させている。
【日米半導体摩擦】
　めざましい日本のIT産業台頭によって、米国内で大きな反動のうねりが起きた。
　ロナルド・レーガン大統領(任期1981～1989年)は、経済の低迷と、財政・貿易の
双子の赤字に苦しめられ、ハイテク分野に活路を求めた。レーガン政権は、強硬な
貿易摩擦解消策として日本の半導体産業を狙い撃ちにした。
　1986年、世界の半導体供給上位10社は、1位NEC、2位東芝、3位日立製作所で、6位
までが日本企業であった。89年時点で日本製の半導体は世界の53%のシェアを獲得し
「産業の米」半導体の優位が、各種家電を始め、電子立国日本の基盤を支えていた。
　こうした中でアメリカで日本脅威論が浮上した。東芝のラジカセをハンマーで
たたき壊す衝撃的な映像がテレビで放映され、家電だけでなく自動車もターゲットに
なった。米半導体工業会(SIA）は、日米間の半導体貿易の不均衡を是正しようと、
1985年、「日本メーカーがダンピングを行っている」と、USTRに提訴した。
　1986年9月、日米半導体協定が結ばれ、1991年の新しい協定では、日本国内市場に
おける外国製半導体のシェアを20%以上に高めるという数値目標まで明記された。
　政府は可能な限り外国製半導体のシェアを高めるようにと通達を出した。
　自社製品の価格決定権を奪われた日本の半導体産業は、国内ユーザにサムスンの
製品を勧めるなど苦渋の対策に転じ、1992年、20%以上の数値目標を達成した。
　そして1993年、とうとう年間売上高で日米の順位が入れ替わった。
　韓国のサムスン電子は、この日米半導体協定で恩恵を受けた。日本製品より安く
DRAM半導体を売れるのだから、市場はサムスン電子の一人勝ちになった。
　1998年にはDRAM売上でサムスン電子が日本メーカーを追い抜いた。
　日本では多くの半導体部門の人々がリストラを迫られることになった。高い報酬と
引き換えに韓国メーカーに最先端の半導体技術を提供する人もいたという。
　2000年のITバブル崩壊、08年のリーマンショックを経て、日本のIT産業は逆風に
さらされ続けることになる。
　しかしどうやっても奪えないものがある。昔から工夫を得意とする日本の人材の
層の厚さだ。下町ロケットが話題になったように、幅広い産業分野で創意工夫を尊ぶ
日本企業の文化は息づいていた。
【半導体産業の水平分化】
　時を経て半導体産業の世界にも大きな変化が到来した。巨額の資本を投じ頻繁に設備
更改をせねばならない半導体産業では、１社で設計から生産設備まですべてを抱える
垂直型産業では、存続が困難になった。こうして半導体産業の水平分業化が進んだ。
　半導体製造のプロセス・ルールは、かつて数百から数十ナノ・メートルであったが、
今は台湾のTSMCが7ナノ・メートルを達成し、さらに極限に近い微細化へ進んでいる。
　次ぎの５ナノ・メートルのプロセス・ルールになると、サムスン電子も達成困難と
言われている。こうした微細加工を実現するには、巨額の投資が必要で、製造設備に
特化したファウンドリー企業が生まれることになった。
　台湾のTSMC、UMC、中国のSMIC、米国のグローバル・ファウンドリーズ(AMDの製造
部門を分社)などがファウンドリー企業だ。
　一方で、工場を持たないで設計開発に特化したファブレス企業が、それこそ世界
中から人材を集め、この水平分化の流れに乗った。アマゾンやグーグルなとは
ファブレス組だ。GAFAは自身のビジネスモデルのために半導体を独自開発している。
　垂直統合型メーカーも、インテル、サムスン電子、日本のキオクシアなどが残って
いるが、いずれも最近、プロセス・ルールの壁に悩まされている。
　半導体産業の水平分化で新しい産業も生まれた。コンピュータで使う命令セット
アーキテクチャ自体を、メーカーにライセンス提供するビジネスだ。
　その代表がARMだ、正式名をARMホールディングスといい、英国ケンブリッジ
生まれで、近年ソフトバンクが売却し、今はエヌビディア傘下にある。
　ARMは、ファブレス企業に対して、ARMの命令セットISAを提供している。
　ARMのISA:Instrution Set Architectureを採用したARMブロセッサ勢力は、
「インテル入ってる」のX86勢力と、ほぼ市場を2分している。
　ARMのアーキテクチャはもともと省電力が得意で、アイフォーン、アンドロイド
スマホを中心に、1800億個以上が生産されている。
　ライセンス料を支払う方式に対して、RISC-Vというオープンアーキテクチャを推進
する「RISC-Vインターナショナル」も加盟者を増やしている。
　RISC-Vは米国のカリフォルニア大学バークレー校で2010年に開発され、DARPA
(国防高等研究計画局)も、この組織に資金を提供している。
　利用料がいらないだけでなく拘束条件が少ないのも魅力だ。
　だがアメリカにとって皮肉なことに、RISC-Vに最も注力しているのは中国だ。
　本書の主題であるスパコン市場で、ARMと手を組んだのが理研・富士通の共同チーム
だった。富岳に搭載されたA64FX命令セットは、ARMのアーキテクチャによって基本
設計されている。2014年に正式に開始されたポスト京(のち富岳）プロジェクトは、
京の反省に立って、ユーザーの使いやすさ、実用性を重視した。
　スパコン上でもパワーボイントのような身近なアプリが使えるようにしたのだ。
　心臓となるA64FXプロセッサは、スパコン用にカスタム設計されたものだ。
　48個のコアと2個または4個のアシスタントコアを内蔵し、並列計算用のベクトル・
レジスタの長さを自由に変更できる、SVC:Scalable Vector Extention を持って
いる。ARMの命令セットISAに準拠し、かつ日本製スパコンのレガシーともいえる、
ベクトル演算技術(特定の問題を幾つかの演算ユニットに分割し、多数の計算を
同時に実行する方式)を組み込んだ。これが高速性能を達成した大きな要素技術だ。
　富岳には、このA64FXプロセッサが16万個搭載されている。富岳は2020年春から
稼働を始め、2020年6月、11月の2期、スパコンの世界ランキングTOP500で1位を
キーブした。2021年6月の、3期目となる1位キーブもほぼ間違いない。
　アメリカのエネルギー省が開発中の次期スパコン、オーロラ(Aurora)は、
後述する事情で、2022年以降に完成がずれ込みそうだ。
　もうひとつのライバル中国製のスパコンはベンチマーク性能で1位を狙う。
　だが、一般的なマシンとしては使えず、これまで中国が開発したスパコンは、海外
市場はおろか中国国内でもほとんど売れていない。中国はベンチマーク性能に絞った
特殊なスパコンを投入している。アメリカは、アブリケーションの実用性、汎用性を
同時に達成し、かつ中国の次期スパコンを抜く高性能というアグレッシブな目標を
設定せざるを得ないが、どこかでしくじると遅れが生じる。
【富岳の評価】
　2009年「2位じゃダメなんですか？」と予算削減を迫られた「京」は、ノーベル賞
受賞者の野依さんらの猛反対で予算復活し、京回には僅かに届かなかったが
毎秒8162兆フロップスを達成して、TOP500で、2011年6月、11月の2期、1位に輝いた。
　「京」の後継・富岳は、「京」で培かわれた総合力によって１位に帰り咲いた。
　「京」は、サンマイクロシステムズのアーキテクチャ、SPARC64で開発された機種
だった。そのため、性能はともかく一般ユーザーに使えるアプリケーションの数が
少なく、利用は思ったほど進まなかった。
　これに対して富岳は、ARMのアーキテクチャを採用した。A64FXブロセッサーは
HPEクレイが自社のスパコン用に採用を決めるほど完成度の高いものとなった。
　ARMの命令セットは事実上の業界標準となっている。しかもARMは互換性を重視して
いて、ARM命令セットに準拠していればアイフォーンで動くアプリが富岳でも動く。
　ユーザーが普段使うアプリがそのまま使えることにとても大きな価値がある。
　ARMは単に仕様書に書くだけではなく、OSや環境面でもしっかりメンテナンスを
続け互換性を保証している。これに準拠したCPU開発には安心感がある。
　約10年に及ぶ富岳開発では、2016年頃に大きな難関があった。
　当初想定していた半導体テクノロジーでは、目標とする消費電力や性能が達成でき
そうもないことが分かったのだ。そこで半導体の微細加工・プロセス・ルールを
7ナノ・メートルに切り替え、消費電力を押さえ、この難局を打開した。
　全体性能では個々の技術的要素に対する投資の考え方がうまくいった。
　CPUの演算性能、CPU同士をつなぐインターコネクト、メモリーアクセス性能と
通信時間、半精度演算(16ビット演算)と通信ライブラリの最適化、こうした複雑に
関わり合う要素を、アプリケーション性能向上の観点から強化し、トレードオフも
生じるなかで、バランスの良い実装を行うことができたという。
　ジャック・ドンガラ、テネシー大学・計算機科学科・特別栄誉教授は、次ぎの
ように富岳の能力を評価している。(2020年10月14日取材)
　《富岳はマルチコア・マルチプロセッサ方式の現代的なスパコンだが、そこに
かつてのベクトル方式を組み合わせることで、より高速、高性能を実現した。
　多数のCPUをつなぐインターコネクト技術も申し分ない。あえて難をいえばデータの
移動の点では今ひとつだが、これは富岳に限ったことではなく、現在のスパコン
全体が抱えている問題でもあります。
　アメリカのサミットはマルチコア・マルチプロセッサ方式でIBM製のプロセッサと
エヌビディア製のGPUを多数搭載しています。これは長所でもあり短所でもあります。
　GPUは計算能力を大幅に増強してくれる反面、うまく使えないと全体性能が低下
してしまいます。十分使いこなすにはそれなりの工夫がいるのです。
　中国のスパコン神威、太湖之光は、独自のCPUを使った非常にユニークなマシンで
その性能を引き出すためには特殊なプログラミングが要求されます。逆にそれが
できなければ、このスパコンはそれほど良い仕事をしてくれません。
　富岳の実行性能はピーク性能の81%で、サミットの74%、太湖之光の74%より優れて
います。看板に近い性能が出るという点では、アプリケーション性能でも如実に
現れています。富岳は2.6%です。随分低いと思うでしょうが、サミットは1.5%、
神威、太湖之光に至っては0.4%です。実際に仕事に使おうとすれば、そのピーク性能を
引き出すことは非常に難しい。それに比べれば富岳は大分マシということです。
　また加速部を持つスパコンでは汎用プロセッサ向けと加速部向けプログラムを
別々に書くと共に、両者の間でデータを移動させる手間も生じます。富岳は1本の
プログラムを書くだけで良い。これは富岳の長所のひとつだと思います》
【AIスパコンと半導体】
　理研は、富岳をAI開発に使うプロジェクトを始めた。2022年度にも富岳の全ての
計算能力を使い、世界最大のAIを試作し、がんの超早期発見や完全な自動運転の道を
拓く。マイクロソフトの研究企業が2020年6月に公開した、オーブンAI「GPT-3」の
学習データを、約114倍上回るAIスパコンになる見込みだ。(日経2021.4.2)
　AIスパコンでは、イタリアのCINECAが「レオナルド」を2022年に運用開始予定で、
中国の百度もAIスパコンを構築中だという。
　AIのディープラーニングは、学習と推論の2パートで実行される。
　学習プロセスでは、教師データ、あるいはトレーニングセットが使われ、さまざまな
パターンを学習する。推論プロセスでは、学習した成果に基づきパターン認識を行う。
　アマゾンは18年頃から、グラビトン、インファレンシアという2つのプロセッサを
独自開発した。いずれもARMアーキテクチャで、機械学習、推論用のAI半導体だ。
　AWS:Amazon Web Service、というクラウドサービスの巨大データセンターに設置
される多数のサーバに、これらのAI半導体を搭載し始め、今後数年のうちには、
グラビトンなど独自開発チップが主力に切り替わる。
　グラビトンは省電力性能にすぐれ、サービス利用費が45%も減ったユーザも出ている。
　2020年、アマゾンは第2世代のグラビトン2を導入した。
　あるスタートアップ企業では、数十億枚のイメージ検索速度が20%向上し、その
コンピューティング費用は38%も節約できたという。　
　アマゾンの次世代グラビトン2は、64個のコアを搭載し、インテルのX86系の24個を
大きく越えた。推定400億円で買収したイスラエルの半導体企業の人材が貢献して、
非常に短期間でこの成果を達成したようだ。
　グーグルは16年に発表したTPU:Tensor Processing Unitを独自開発し、ディープ
ラーニングに特化した処理を行っている。最近はこれに加え、エッジTPUと呼ばれる
推論用プロセッサも独自に開発した。グーグルの学習用チップはTPU、推論用チップは
エッジTPUという関係になる。
【直近のスパコン開発状況】
　エネルギー省のオーロラは、主にインテル側の技術的問題から、予定通りに完成し、
アルゴンヌ国立研究所に納入されるのは、ほぼ絶望的になっている。
　米国ではオーロラ以外に２つのプロジェクトが進んでいる。
　ひとつはテネシー州オークリッジ国立研究所に納入予定のフロンティア、
もうひとつはカリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所に入る予定の
エル・キャピタンだ。だがいずれも開発が順調に進んでも、その完成時期は21年
後半から22年で、2021年中に米国でエクサ級の次世代スパコンが稼働するかは微妙だ。
　エネルギー省がインテルにプロセッサーを発注したのは、インテルが垂直生産を
続けている半導体メーカーだったからだ。エヌビディア、アルコム、AMD、アップルは
いずれもファブレスで、台湾のTSMCに生産を委託している。富岳のCPU、A64FXも製造を
TSMCに委託している。そうしたなかでCPUをあえてインテルに発注したのは、将来
中台関係が悪化し海上封鎖が起きた場合、納入が滞る危険性を排除するためだった。
　しかしファブレス化が進んだ現在、インテルと言えどもTSMCのプロセス・ルールを
追随できないでいる。インテルの製造工場は推定で10～14ナノ・メートル程度に
止まっており、5～7ナノ・メートルの最小加工寸法を実現できていない。
　半導体の完全内製化にこだわらなければ、オーロラは当初の予定通り完成していた
かもしれない。米国はアリゾナ州にTSMCの製造工場を誘致して、この難局を回避する
方向にあるらしい。200億円以上をかけて、工場周辺の道路整備も行うとのことだ。
　中国は3台のスパコンを開発中で、ARMアーキテクチャのCPUも独自開発している。
　これらは2020年にも稼働すると見られていたが、そうはならなかった。
　米国が中国スパコン・メーカー曙光を技術禁輸措置の対象にしたからだ。
　中国は自前で高性能半導体を作る技術がない。日本や、オランダの露光装置
メーカーASMLの半導体製造装置が輸入できなければ高性能半導体を作れない。
　こうした禁輸は、当面の効果はあるだろうが、反って中国は独自開発を早め、
やがて世界の半導体をリードする日が来ることになると心配する人もいる。
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　コロナ禍で苦しむ中、次ぎのIT産業で、日本の出番が再びくるかもしれない。