以下、「米国政府のHEC計画」を要約して示す。
タスクフォースは、HECを活用して研究を進めているさまざまな専門分野の先端的科学者からの意見を徴集した。それによると各分野の目標達成には、今日のHECリソースの100〜1,000倍までの能力が必要と見積もられている。図表１は、各領域での「科学的チャレンジ」と「現状の能力の100から1,000倍の能力で得られることが期待される成果」を示す。
 |
 |
２‐１．HEC：科学技術でリーダーシップをとるための戦略的ツール
（１）HEC再生（Revitalization）の背景
最近の政府機関による調査の結果、「現在のHECリソース、アーキテクチャ、そしてソフトウエアツールと環境は、現状において必要とされるニーズを満たしていない。同時に、次世代のHECシステムの設計、開発のために必要なアイデアやエキスパートの供給も削減されており、代替システムの調査研究も殆ど停止していた」ということが判った。
この結果が再生計画の必要性をもたらしたと記述されている。
（２）目標
- HECの使用容易性と生産性を向上する（Make high-end computing easier and more productive
to use）
- 新世代のHECシステム・技術に対する発展と革新を促進する（Foster the development and innovation
of new generations of high-end computing）
- 政府のHECを効率的に管理、調整する（Effectively manage and coordinate Federal high-end
computing）
- 政府機関のミッション遂行に必要なHECをいつでも利用可能にする（Make high-end computing readily available to Federal agencies that need it to fulfill their missions）
HECの使用容易化と生産性の向上の中で、研究者にとっては、新規アイデアから結果が導き出されるまでのTime to Solutionの短縮が最も重要であり、これをHECシステムの研究開発目標にすべきであると述べている。Time to Solutionの要素を図表２に示す。全体の最短化には、計算だけではなく各フェーズにおける最短化の努力が必要であるとしている。
（３）計画の範囲（注１）
HEC計画は、今後約15年以内に製造され得るHECシステムにとって必要となる全てのコア技術をロードマップとして示している。主な要素を以下に示す。
- ハードウエア、ソフトウエア、システムにおけるコア技術の研究開発
- 科学、工学コミュニティにいつでも利用可能にするHECの性能（Capability）、供給能力（Capacity）の向上、及びアクセス容易化の戦略
- ユーザ要求を満たすHECシステムの効率的な政府機関での調達の戦略
NITRDプログラムの中でHEC関連の年度予算は約９億ドルであり、その内で、HEC計画に関連する活動は約1.58億ドル（2004年度）である。再生化の活動が成功した場合には、HECに関する全体で26億ドルの政府の長期的な活動へインパクトを与えるだろうと述べられている。
（注１）この計画書では、ビジュアリゼーション、ネットワーキング、グリッドコンピューティング、セキュリティ、アプリケーションソフトウエア、小規模クラスタ等ついては検討から除外されている。
２‐２．研究開発
研究開発に関しては、政府機関の計算性能へのニーズと商用システムの性能間の乖離の問題が示されている。HEC市場は、Webを活用したコマース市場やビジネス用コンピューティング市場などと比較すると、コンピュータ産業界が注意を向けるほど大きくはない。市場での売上対比で見ると、HECの調達（procurement）は年約10億ドルであるが、サーバー市場は年500億ドル以上である。このため、産業界がサーバー市場へ集中することになり、産業界で製品化されるHECシステムは、サーバー市場で必要とされる小規模システムのために設計された非常に多くのプロセッサから構成されるものになっている。そうした膨大な量のプロセッサからなるマルチプロセッサシステムは、HEC向けのプログラム開発が非常に難しく、重要なアプリケーションにおける高性能レベルの達成に問題があった。
近年、プロセッサの性能改善が継続しており、理論的なピーク性能は急峻に上昇している。しかし、マルチプロセッサシステムでは、プロセッサのスピードとメモリバンド幅の不均衡が増大しており、実運用環境での実効性能を抑えてしまう。プロセッサのスピードの伸びは年率約40％であるのに対して、メモリのスピードは年率約７％の改善である。
実効性能の現状として、米国で投資が集中しているクラスタシステムは、全てのアプリケーションに適しているわけではなく、国家の優先度の高いアプリケーションでは別のアーキテクチャが適しているものがあることが述べられている。又、並列効率としては次のような記述もある。
現在のHECは、各々が独立したオペレーティングシステムを持つ小規模のノードを数百接続したクラスタに集中しており、一般にはピーク性能の10％以下、そしてあるアプリケーションでは時々１％以下の並列効率になっている。原文を以下に示す。
「The current HEC focus on clustering hundreds of small nodes, each with a separate OS, results in poor parallel efficiency, generally below 10% and sometimes lower than 1% of peak on some applications.」
図表３は、主要なHECセンターで見られる理論的なピーク性能と実効的なシステム性能（Sustained system performance：SSP）間での乖離を示している。
（１）HEC技術へのユーザ要求
HECの効果的な活用に向けた当面の主な挑戦として以下の項目が述べられている。
- 複雑なアプリケーションでの高い実効性能の達成
- 複雑なアプリケーションソフトウエアの開発とメンテナンス
- 入出力双方で劇的に増加するデータ量への対応
- 空間軸と時間軸の双方でマルチスケールへの対処、マルチディシプリナリ・シミュレーションへの対応
又、将来のHECシステムのために以下の目標が述べられている。
- 実効性能（ピークではなく）で100倍の増加（現在の多くの科学技術問題を解くために要求される性能レベル）
- 簡単に並列化されない問題に対しての超高速プロセッサと新アルゴリズムの開発
- 性能を決定付けるメモリとプロセッサ間通信でのバンド幅とレイテンシの改善
- 多様なアプリケーション要求に応えるアーキテクチャ
ソフトウエアツール、プログラミングモデル、及びオペレーティングシステムに関わるソフトウエアの不足も重視している。現行のものは、1,000プロセッサーまでは相応の性能を期待できるが、2010年に目標とされている100,000プロセッサでは、実質的な改善がない限り、ほとんど性能が期待できないとしている。
（２）HEC研究開発の戦略
HEC計画では、今後のハードウエア、ソフトウエア、システムにおけるユーザ要件への対応として、キー技術の（１）ロードマップ、（２）研究・評価システム、そして（３）HEC研究開発投資の優先度が示されている。以下では、それぞれ順を追って概要を述べる。
（１）ロードマップ
ロードマップはハードウエア、ソフトウエア及びシステムから成る。またアプリケーションからのトップダウンの要求と、技術の進化からのボトムアップの要求を基に決められ、定期的な更新が必要であることが言及されている。このロードマップの特徴は、今後10年に渡る２つのシナリオが記述されていることである。
まず、「現在のプログラム」は、2004年度からの新たなリソース割付が無いと仮定した場合の今後のシナリオを示している。
また、「ロバスト（強力）な研究開発計画」は、新HECシステムへの計画、実行、システム配備などがタイムリーに行われた場合を想定した今後のシナリオを示している。
詳細を図表４から９に示す。
【ハードウエアロードマップ】
以下では、「現在のプログラム」と「ロバストな研究開発計画」を対比して示す。
「現在のプログラム」では、更なる研究努力がない場合には、次５年以降の改善はほとんど無いであろう。その期間の改善は、産業界主導のCOTS（Commercial-Off-The-Shelf：汎用量販品）技術の進展と既存又は過去の研究投資の結果に主に依存するだろう。又、技術のブレークスルーがない限り2015年ごろムーアの法則が終焉するだろう。
「ロバストな研究開発計画」は、それに対する推進策を示している。
【ソフトウエアロードマップ】
以下では、「現在のプログラム」と「ロバストな研究開発計画」を対比して示す。
「現在のプログラム」シナリオは、新アーキテクチャを次の５年にリリースするDARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）のHPCS（High Productivity Computing Systems）プログラムによる進展に依存する。DARPAのプログラムは、2010年に終了するため、「現在のプログラム」による将来の改善は、主にそれらのアーキテクチャに基づくことになるだろう。「ロバストな研究開発計画」は、それに対する推進策を示している。
【システムロードマップ】
以下では、「現在のプログラム」と「ロバストな研究開発計画」を対比して示す。
「現在のプログラム」シナリオは、既存の研究活動（HPCSを含む）に依存し、次の５年以降は進展が難しいだろうとしている。「ロバストな研究開発計画」は、それに対する推進策を示している。
（２）研究・評価システム
将来の10,000から100,000プロセッサに及ぶ大規模システムを正しく機能させるためには、適切な開発と評価が必要とされるため、タスクフォースは、研究・評価システムの調達をHEC研究開発の不可欠な戦略として提言している。
タスクフォースが研究・評価システムと呼んでいる「早期アクセス」システムは、プロトタイプの早期段階でのテストを可能にし、新しいアルゴリズムや計算手法を開発するために必要なプラットフォームを提供する。又、このシステムは、ソフトウエアに関する機能性とスケーラビリティの研究を評価するためにも必要である。ソフトウエア開発での試験ではしばしばハードウエア故障を引き起こすため、アプリケーションソフトウエアの開発上で支障が生じる。そのため、ソフトウエア開発用のテストベッドとアプリケーションソフトウエア開発用のテストベットを分けることが必要である。
研究・評価システムの評価で得られる性能情報は、HECシステムの将来の調達を成功に導く貴重なものである。この評価によって失敗のアプローチを識別できたとしたら、政府は、期待通りに実行しないシステムを購入しなくてすむことになる。又、この評価は、失敗の原因を取り除くことで更に意味あるアプローチを提案できうるものでもある。
（３）HEC研究開発投資の優先度
優先度は研究開発の主要な４つの段階を、以下の様に定義した上で検討している。
（ａ）基礎・応用研究（Basic and Applied Research）：新しいアイデアや専門知識の継続的な創出により、HECの基盤となる概念開発に焦点を絞る。
（ｂ）先進開発（Advanced Development）：高性能システムへ向けた革新的な技術やアーキテクチャを選択し洗練する。
（ｃ）プロトタイプ（Engineering and Prototypes）：HECシステムとその要素の構築に必要とされる統合やエンジニアリングの実現。
（ｄ）試験評価（Test and Evaluation）：HECソフトウエアや現在及び新世代HECシステムを適切な規模で試験評価を行う。
また、ソフトウエアの長期的進化支援は、重要なHECソフトウエアインフラストラクチャを長期間に渡って維持するものとしている。
そして、それぞれに対し研究開発投資の推奨案を図表10の様に述べている。ここでは、「現在のプログラム」に比較した予算の増分の大小で優先度を示している。
２‐３．HECリソース
本計画では、政府機関のミッションを遂行するために必要とされるHECシステムの獲得、運用、維持を「HECリソース」と呼んでいる。
全体的に計算能力が不足しており、強力なHECの投資が必要とされている。政府機関の中には、利用者に対して十分な計算能力を供給できないために他の機関のリソースを借用しているところもある。又、現在、米国の民間機関は、リーダーシップクラスシステムにアクセスしていないので、重要な計算問題に対して真にブレークスルーをもたらす機会が限られているとも述べている。
（１）HECリソースへのユーザ要求
連邦政府の広範な科学分野のHEC要求を調査した結果、２つのクラスのリソース問題があることがわかった。第１番目はアーキテクチャの利用可能性であり、第２番目はHECの供給の問題であり、それぞれを順に述べる。
［１］アーキテクチャの利用可能性
今日のHEC市場は、最も過酷な科学アプリケーションの性能要求を満足する製品を生み出していない。商用コンピューティングのニーズと科学ニーズの間で重なっているところではベンダーは素晴しい製品を供給してくれるが、科学又は国防ニーズで商用ITと重なっていないところでは製品が不足している。
［２］HECの供給（Capacity）
政府の科学技術でのHEC利用要求は、供給（Capacity）の約３倍であり、年約80％の割合で増加している。この傾向は、アプリケーションの高度な利用や、利用領域の拡大に伴って益々増加すると予想される（図表11）。
（２）HECアクセス、アベイラビリティ、リーダーシップへの対応
タスクフォースは、HECリソース問題に対して、アクセシビリティ、アベイラビリティ、リーダーシップシステムの３つの異なった問題にわけ、個々へアプローチすることを提言している。
［１］アクセシビリティ
リソースの共有化について提言している。
- 他の政府機関からのリソースを用いて研究をする政府機関は、共同契約を通してリソースをユーザに供給するなどの選択肢を検討する。
- 各政府機関はミッションの優先度に基づいてリソースニーズを評価調整する。
［２］アベイラビリティ
ミッション遂行に必要なリソースの増加を要求している。
- 計算リソース需要の増加と、既に負荷が過剰なシステムへの増加要求に対応するため、政府機関は、リソース再割当の有用性を検討する。
- 最適リソース再割当のために、理論、実験、計算などの研究や工学のモード間のバランスを評価し、調整することを希望する。
［３］リーダーシップシステム
米国の科学研究者に世界最高性能のHECを提供するために、タスクフォースがリーダーシップシステムと呼ぶシステムの開発を提言している。
システム目標は、現在、市場で得られる性能に比べて少なくとも100倍の性能を目指すものと示されている。リーダーシップシステムの使用に関しては、限られた科学アプリケーション（１年あたり約10）が選択され、かなりの量のアクセス権が与えられるだろう。又、将来、リーダーシップシステムを全体規模で稼動する準備として、より広いアプリケーション（１年あたり約50）がパイロット的な実験のために選ばれ、短時間のアクセスが割り当てられる可能性もある。リーダーシップシステムは、その性格上、数年間使用し、科学ニーズや研究開発活動から生み出される技術に基づいて、定期的に新しいものと置き換えられるものと位置づけられるだろう。HECでのコア技術研究開発はHECシステムに向けられるが、それらの技術は時間と共に、サーバー、最終的にはデスクトップへと適用されるだろうとある。提言内容は以下の通りである。
- 最高の計算能力を持ち最優先の研究用にリーダーシップシステムを設置する。
- 政府機関が、国家リソースとしてリーダーシップシステムを管理する。
- 政府機関は、オープンなユーザ施設としてリーダーシップシステムを運用する。
- システムへのアクセスはピアーレビューによる管理を原則とする。
２‐４．調 達
HECシステムの調達は非常に複雑な仕事であり、政府とベンダー双方での煩雑さを軽減するための調達アプローチが必要である。10年前はHECのサービス寿命は５年以上が普通だったが、現在では平均寿命は約３から４年であり調達期間の短縮が必要である。
政府のHEC調達の効率改善に向け、政府機関を横断した３つのパイロットプロジェクト（HECベンチマーク、TCO（Total Cost of Ownership）、調達）の設定を推奨する。
以下、各々のプロジェクトを述べる。
（１）HECベンチマーク・パイロットプロジェクト
実効性能は調達の選定判断として唯一の容認できる性能基準である。計算ピーク性能又はリンパックベンチマークのような単一の性能測定は、有用ではあるが購入判断のベースとして使われるべきではなく、実際のアプリケーションのベンチマーク性能が、実運用環境でのシステム性能の最良の指標であるとして以下を提言する。
- 政府機関のうちで類似のHECアプリケーションを持つ機関を選択し、それらのアプリケーションの基礎となるベンチマークのセットを開発し、このベンチマークをパイロット購入段階で使用する。
- 参加政府機関は、そのベンチマーク結果を用い各政府機関のアプリケーションに合わせて適当な重み付けを行い、各政府機関で必要とするベンチマークの代りに用いる。
（２）TCOパイロットプロジェクト
TCOは、HECサービスを供給するための全ての財政的な観点を含み、次の４つの主なコスト領域に分けられる。
- ハードウエア
- システムソフトウエア
- スペース、ユーティリティ、人員、センター外の通信（ネットワーキング）
- ユーザ生産性（アプリケーションソフトウエア開発コストを含む）
パイロットプロジェクトとして以下を提言する。
- 複数政府機関からなるチームが、TCOの全ての要素（例えば、購入とメンテナンス、人員、センター外通信、ユーザ生産性）を幾つかの類似のシステム間で評価し、TCOを決定付けるベストプラクティスを開拓する。
（３）複数の政府機関による共同HEC調達パイロットプロジェクト
参加政府機関は、上記した２つのプロジェクトによって開発された新しい方法を用いて共同で調達の方法を開発する。そしてその有効性を評価する。評価は、購買力の改善、全体の人件費の削減、調達に要する全時間、及び参加政府機関の要求への適合性などの観点から行う。
