ProCurve Networking による基幹ネットワーク導入事例

目的

アプローチ

サービスの実施

ビジネスへの効果

東北大学金属材料研究所の起源は1916年に発足した臨時理化学研究所にある。当時研究主任だった本多光太郎博士が強力な保磁力を有するKS鋼を発明。日本の鉄鋼研究の先駆けとなった同研究所は、その領域を金属全般、そして広範な物質や材料へと拡大してきた。

さらに、材料科学の飛躍的な進歩と新素材産業の発展に対応するため、同研究所は1987年5月に東北大学附置全国共同利用型研究所として再スタートを切った。研究部門の大幅な転換と研究施設の充実を図るとともに、国内外の研究者や技術者との共同研究を積極的に推進。ナノ物質材料研究をはじめとする物質・材料の学術研究・応用研究の世界的中核拠点へと発展している。

スーパーコンピュータ同士のネットワーク結合を推進

	教授 理学博士 川添 良幸 氏

同研究所教授 川添良幸理学博士が進める研究は、計算解析に基づいて金属材料を捉え、原子レベルで新材料を設計するというものだ。波動関数の時間的変化を示すシュレディンガー方程式を、モデルを使わずにダイレクトに解く第一原理計算や分子動力学計算、さらにモンテカルロ法など複雑な確率論的シミュレーションを基にマテリアルデザインを進める川添教授の研究にとって、大規模解析計算を行うスーパーコンピュータは不可欠の存在である。

このような大規模シミュレーション計算を行うスーパーコンピューティングシステムの運用、利用支援を担うのが金属材料研究所計算材料学センターである。川添教授の研究室は、以前から科学技術計算を駆使し、スーパーコンピュータの運用およびネットワークの高度化を行ってきた経緯から計算材料学センターの責任部門を担当している。

大規模な科学技術計算を必要とする同研究所では、これまでも5年ごとに約10倍の演算能力を持ったマシンを導入してきた。2007年に計算材料学センターに導入された新たなスーパーコンピュータは、16CPUを1ユニットとして全体で51ノードを有する大規模なもの。これはそれまで活用してきたシステムの約8〜10 倍の演算性能を発揮する。

同研究所は、東京大学物性研究所、自然科学研究機構分子科学研究所、九州大学情報基盤センターなど複数の材料設計研究機関とVPN（Virtual Private Network）で接続。相互協調的な仮想研究コミュニティ形成を目指す超大規模ナノテクノロジー用シミュレーション計算環境（ナノテクVPN）をスーパーSINET上に形成した。これは世界的にもほとんど例のないスーパーコンピュータのネットワーク結合である。北陸先端技術大学院大学、広島大学などとも1ギガビットで接続され、さらに韓国やシンガポールなど、海外の大学や研究機関との連携も拡大している。

高速な演算性能に見合う10ギガビットのネットワークを構築

	テクニカルセンター 技術専門職員 三浦 重幸 氏

新たなスーパーコンピュータによって8〜10倍の演算処理能力を確保した金属材料研究所では、より大きなデータの流通を可能にするネットワークが必要になった。同研究所テクニカルセンターの技術専門職員 三浦重幸氏はこう語る。

「そこで、ネットワークのバックボーンとなる幹線部分は10ギガビットの帯域を確保し、ユーザ端末側でも最大1ギガビットのスピードをキープ。さらにウイルスやスパムメール等のチェックを実行する高速で信頼性の高いネットワーク構築を目指しました」

演算速度が上がっても、人間の時間感覚や生活サイクルは変わらない。せっかく計算が速くなっても、データの伝送路であるネットワークが追いついていなければユーザは大きなストレスを感じる。これは研究者の思考を中断することにもつながる。

「当研究所では、現在1日1テラバイトのデータがやり取りされています。しかも、同時にそれを書き込みながらバックアップを図っています。10ギガビットの足回りなら、単純計算すれば1時間当たり約4テラバイトのやり取りができますから、1日には約100テラバイトが可能。5年後の次期システム更改まで、十分なバッファーを確保することができます」（川添教授）

システム構成概要図

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	テクニカルセンター 技術専門職員 佐藤 和弘 氏

「演算領域をセグメントごとに振り分け、相互の負荷変化等の中でも、影響や干渉を及ぼさないように構成を工夫しました。さらに、CPUパワーをより有効に活用するためのグリッド的な振り分けも、ネットワーク経由で自動的に実行することを目指しました」

「10ギガビットのバックボーン形成に際して、スイッチ製品のコストパフォーマンスや信頼性、実績などを踏まえた要求仕様を最終的に満足したものがProCurve製品であった」と三浦氏は語る。以前から計算材料学センターのシステムに関わり、研究所の要件を熟知していたHPがネットワークシステム構築のパートナーであったことが、今回のスーパーコンピューティングシステム導入計画全体を予定通り進められた要因だったとする同氏は、さらにこう続ける。

「私たちの歴史的経緯やその中における研究所特有の要求の理解、さらにスーパーコンピュータや各サーバ群、その他周辺機器などマルチベンダ環境における各社間の接続やインテグレーション、セキュリティの確保など、見えない部分も含めたトータルコストを考慮すると、今回ProCurve製品を導入したメリットはとても大きいと考えます」

ちなみに、計算材料学センターでは東京大学物性研究所をはじめとする複数の材料設計研究機関と連携して形成したナノテクVPNシステム構築の際にもProCurve製品が導入された。

ネットワークの冗長構成で信頼性をさらに加速

コンピュータルーム

今回のネットワーク構築では、耐障害性や信頼性の向上を目指して冗長化が図られた。

「ネットワーク上のボトルネックや停止が研究の進展を妨げることがないように、スイッチや回線を末端部以外は全て二重化しました」（三浦氏）

「当センターは、1993年にはFDDI、2002年にはサーバのクラスタ化を図り1ギガビットのバックボーンを形成。さらに今回は、その経験を活かして10ギガビットの幹線を構築し、冗長化を図りました。その意味では、常にその時々の最先端ネットワーク環境を築いてきた、と自負しています」（佐藤氏）

実際の構築期間は2006年12月〜2007年3月と極めて短期間だった。しかし、計算材料学センターは、金属材料研究所の高度なシミュレーションによる先端研究を支える要ともいえる存在だ。したがって、新しいネットワーク構築に伴う導入期間は、最小限に抑制しなければならなかった。

そこでHPは、当初のスケジュールを前倒しするかたちでデリバリーを実現。設定や検証等、ステージングを完了してから持ち込むことで、納品後すぐに稼働する体制を実現したのである。

「今回のネットワークにはメールなど外部とのやり取りの基盤となる部分も含まれていたので、旧来のネットワークとのスムーズな切り替えに特に気を配ってもらいました。しかし、これまでの経緯や経験のおかげでトラブルもなく、スムーズに稼働することができたので助かりました」（三浦氏）

「また今回、計算が終了した時点で、その旨を携帯電話に通知する仕組みを構築し、HPにはネットワーク、認証システムを担当してもらいました。計算途中の進捗状況もWeb認証を介してステータス確認ができます。『できるだけ早く解析結果が見たい』と願う研究者の立場からは大変嬉しい機能ですね」（川添教授）

川添教授は「科学の基礎は20世紀中に終了しており、これからは応用の時代だ」という一部の声に警鐘を鳴らす。

「原子などはよく知られていると理論物理の教授さえ信じていますが、まだまだそのようなレベルではありません。例えば、鉄原子の本当の状態は26個の電子と原子核の作る27体問題を精密に解かないとわからないのです。これまでの材料研究では、超伝導とかの新しい現象が実験で見つかると、それを理論的に説明する、というのが基本的な流れでした。しかし、いまや数値シミュレーションによって、実験以前にさまざまな場面における材料の挙動を正確に把握することができるようになりました。つまり、材料研究における理論の立場は従来の実験の説明を脱却し、新物質・材料をシミュレーションによって設計し、実験家がそれを追試することを基本とするようになってきたのです。日進月歩のCPU性能を利用しながら、まず解決すべき基礎的な問題にきちんと取り組むこと。その上で、これまで経験や勘に依拠していた材料設計を、より多元的なアプローチで深めていく研究姿勢が大切です。先ほども話題があったように、私たちは一貫して最先端のネットワーク環境を築いてきました。研究成果や研究の支援ツールであるコンピュータを共有する伝送路として、今後ネットワークへの依存度はますます高まっていくことでしょう。常に先を見据えながらネットワーク環境を築いていきたいですね」

先端的学術研究の連携を支える超高速ネットワーク。HPにはその要求に応える信頼性と性能を備えたネットワーク製品の提供が期待されている。