CRAY T3Dの全貌 — 3次元トーラスが切り拓いたマスィブ並列の世界

2025年12月17日 最終更新日時 : 2025年12月17日 エバープレイ編集部

導入：CRAY T3Dとは何か

CRAY T3D（以下T3D）は、1990年代前半にCray Researchが投入したマスィブ並列処理（MPP）システムです。従来のCrayベクトル機とは設計思想を大きく転換し、汎用マイクロプロセッサを多数並列に接続するアーキテクチャを採用した点で画期的でした。科学技術計算やシミュレーション用途を主眼に、当時としては高い並列度と柔軟性を両立させたことから、多くの研究機関や企業で採用されました。

設計方針と背景

Crayは伝統的に専用ベクトルプロセッサ＝高性能浮動小数点演算器で性能を追求してきましたが、T3Dは「スケールアウトによる性能向上」を選びました。設計上の重要ポイントは次のとおりです。

  • 汎用の64ビットマイクロプロセッサを多数ノードに配置し、コストと拡張性を重視したこと。
  • ノード間通信を高速化するための3次元トーラス（3D torus）インターコネクトを採用し、低遅延・高帯域のパケットスイッチングを実現したこと。
  • 従来のCray機（例：Y-MPやC90）をフロントエンド（ホスト）として用い、ストレージやジョブ管理、I/Oを集約するハイブリッド構成を採ったこと。

ハードウェア構成の概要

T3Dは多数の処理要素（Processing Element：PE）を持つ分散メモリ型のシステムです。各PEは自身のローカルメモリを持ち、プロセッサとメモリ、ネットワークインタフェースを一体化したモジュールになっていました。ノード同士は3次元格子状に直接接続され、各ノードは最大6方向に隣接ノードを持つ構造です。

ホスト機（多くの場合Cray Y-MPなどの従来機）はUNIXベースのUNICOSを実行し、ユーザーインタフェース、ファイルシステム、ジョブの投入・管理、デバッグ環境を提供しました。計算カーネルはPE上で並列実行され、データの入出力はホストを経由して行われます。

インターコネクト：3次元トーラスの長所

3Dトーラスは多くの並列アプリケーションにとって効率的なトポロジーです。T3Dの採用理由と利点は次の通りです。

  • スケーラビリティ：多数ノードを格子状に配置でき、ノード数を増やしても通信距離（ホップ数）の増加を比較的抑えられる。
  • ローカル通信の活用：多くの科学計算は局所的なデータ交換が主であり、近傍通信が高速に行えるトーラスは相性が良い。
  • 冗長パス：複数経路があるため、通信の混雑分散や障害時の迂回が可能。

ソフトウェアとプログラミングモデル

T3D向けのソフトウェアスタックはホスト側とPE側で役割が分かれていました。ホストがUNIX系の管理環境を提供する一方、PE上では軽量なランタイムと通信ライブラリが動作します。

代表的なプログラミングモデル：

  • SHMEM（Cray SHMEM）：リモート直接メモリアクセスに近い操作を提供する一貫したAPIで、低レイテンシな点対点・集合通信が可能。
  • MPI／PVM：メッセージパッシング標準を用いた移植性の高い並列化が可能で、多くの既存コードを流用できる。
  • フォートラン／Cコンパイラ：科学技術計算向けに最適化されたコンパイラ群が用意され、ベクトル化／並列化支援が行われた。

開発者はデータ配置（ローカルメモリ設計）と通信最適化に注意を払い、ホストとPE間のデータ転送や同期のオーバーヘッドを最小化する必要がありました。

性能の特徴と運用上の留意点

T3Dはノード数を増やすことで理論上のピーク性能を伸ばせる反面、実効性能はアプリケーションの通信特性やメモリアクセスパターンに依存します。典型的な留意点は次の通りです。

  • 通信遅延と帯域幅：ノード間の頻繁な同期や全対全通信はスケーリングを阻害するため、アルゴリズム設計で近傍通信中心にするのが望ましい。
  • メモリ一貫性：分散メモリモデルのため、データ配置と移動を明示的に扱う必要がある。SHMEMなどのRMA（Remote Memory Access）を活用する設計が有効。
  • I/Oボトルネック：ファイルシステムや大規模データの集約・散布はホスト側に負荷をかけやすく、並列I/O戦略の導入が求められる。

代表的な適用分野と実績

T3Dは特に以下の分野で利用されました。

  • 流体力学・CFD（計算流体力学）：大規模格子計算や数値的境界条件の評価。
  • 気候・気象シミュレーション：分解能向上のための大規模並列化。
  • 地球物理・音響・地震波動シミュレーション：波動方程式の数値解法で高い並列効率を発揮。

これらの領域では、最適化された通信パターンとローカル計算の比率を高めることで、T3Dの利点を十分に引き出せました。

歴史的意義と後継機への影響

T3DはCrayにとって重要な転換点でした。専用ベクトルプロセッサから汎用マイクロプロセッサベースのMPPへ舵を切ることで、後のT3Eや商用クラスター、さらには現代のスーパーコンピュータの多くに見られるノードベース設計へとつながっていきます。T3Dでの学びは、ネットワークトポロジー設計、ランタイム最適化、ハイブリッドホスト／ノード運用など、多くの設計思想として継承されました。

運用・保守の観点

T3Dの運用では、物理配置（ラック／クレート）、冷却、電源、そしてホストとの連携設定が重要でした。ハードウェア故障時のノード交換やネットワーク再構成、ジョブスケジューラのチューニングなど、スーパーコンピュータ運用全般に共通する高度な運用ノウハウが要求されました。また、アプリケーションの性能解析（プロファイリング）や通信ボトルネックの特定には専用ツールやログ分析が用いられました。

まとめ：T3Dが残したもの

CRAY T3Dは「多数の汎用プロセッサを高速インターコネクトで結ぶ」アプローチの先駆けの一つとして、スーパーコンピュータ設計の考え方に大きな影響を与えました。3次元トーラスや分散メモリ設計、ホスト／ノードのハイブリッド運用など、当時の技術的チャレンジとその解決策は、現代のHPC環境でも参照され続けています。歴史的な製品でありながら、その設計上の選択は今日の大規模並列処理の理解に役立ちます。

参考文献

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IT
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