ビジュアルテクノロジー 企業講演 採録

3/12～13に開催されたSupercomputing JAPAN! 2024にて、弊社が行った企業講演の採録記事です。
ご興味がございましたら、ぜひご覧ください。

HPCシステムインテグレータVTにおける
AI・量子コンピューティングへの取り組み

HPC/エンタープライズ事業本部　営業統括部
比嘉 龍太郎

ビジュアルテクノロジー［VT］について

■ ハードウェアのみならず、各種エンジニアリングサービスもご提供

　ビジュアルテクノロジーは「HPC業界で30年のシステムインテグレーター」です。設立は1993年で、DEC社のAlpha互換機を販売したところから始まり、今年で31年目を迎えます。
　取り扱い分野は「HPC・AI・量子コンピューティング」に注力しており、量子コンピューティング分野では、量子コンピューティングに強い精鋭の企業さまと協業を行っています。
　弊社の強みは①「HPC分野での30年の実績」、②「多様な利用環境に対応できるマルチベンダ体制」、③「エンジニアリングサービス」だと考えています。①②ではユーザさまのご事情、ご要望に合わせたご提案を実現いたします。③の「エンジニアリングサービス」では既存システムのヒアリング、問題点解決のためのご提案、導入、構築、保守までトータルでサポートいたします。また、弊社のエンジニアをユーザさまの元に派遣する、常駐型の『運用支援サービス』も行っています。事例として、国立がん研究センターさまでは“共同利用を想定したシステム”の導入と運用支援にて尽力させていただいています。
　技術・販売パートナーとして認定いただいているIntelさまやNECさまをはじめ、多くの企業様と協業・連携し、また、これまで国公立大学さまをはじめとした大学、官公庁、研究機関さま、民間企業さまなどへ多数のシステム導入に携わってきた経験・実績を活かし、ユーザさまに喜んでいただけるよう、より良い製品・サービスの提供に努めています。

量子コンピューティング時代に向けて

■ JQCA加入、量子コンピューティング向けシステム・サービスの提供へ

　ビジュアルテクノロジーは、昨年より「一般財団法人 日本量子コンピューティング協会」に加入しました。日本量子コンピューティング協会は「量子コンピューティング技術の普及、研究支援など、量子コンピューティング関連の幅広い活動を行うこと」を目的とし設立され、弊社は法人会員として、HPCで培った経験を元に「研究者、エンジニア、ビジネスパートナーさまと協力しアプリケーションの開発を進める」ことを使命として活動しています。また、弊社代表取締役の鬼澤が理事の1人として就任しています。
　次に、弊社は量子コンピューティング向け システム・サービスの提供を開始しました。

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■ 古典コンピュータ環境でハイブリッドな活用を

　HPCやAI向けのシステムを、量子コンピューティング向けの環境としても活用する「ハイブリッドシステム」をご提案します。
　皆さまご存知の通り、量子コンピュータの現実的な導入にはまだまだ時間がかかると言われています。しかし、量子コンピュータの進化を待つ一方で、量子回路（量子アルゴリズム）の研究開発は進めていかなければなりません。もちろんクラウドを活用し、量子コンピュータを利用することはできますが、環境の占有ができずにもどかしい思いをすることが多いかと思います。
　研究開発や業務利用を想定すると、古典コンピュータ環境における量子コンピュータのエミュレーション（模擬的に動作させる）技術も重要になってきます。

　そこで、ビジュアルテクノロジーではハイブリットシステム（※アニーリングシステム）をご提案させていただきます。
　まず、1つ目としてベクトルマシン「SX-Aurora TSUBASA」を利用したハイブリットシステムです。流体解析、流体力学、数値、大規模シュミレーション、気象予測などのご研究を行われている方であれば「Vector Annealing ソフトウェア」を導入することで、従来の計算、そしてアニーリングマシンとして活用できるようになります。本システムのポイントは、10万量子ビット相当の「組み合わせ最適化問題」に対応ができる点であり、さらに、8VE構成であれば30万量子ビット相当まで対応が可能です。インターネットに接続ができないスタンドアローン環境でのご利用も可能となっています。

システム構成例
HPC × 量子コンピューティング 　～ SX-Aurora TSUBASA Ver. ～
■ CPU： AMD EPYC 9654（96コア、2.4GHz）× 2 　■ Mem： 768GB （32GB × 24） 　■ V E： Type 10B × 8 　■ SSD： 1.9TB × 2 　■ NEC Vector Annealing VE × 8License 　 　　NEC Software Development Kit for Vector Engine 　 　　PPサポートパック（NEC SDK） × 1 　 　　PPサポートパック（Basic SW/MPI，8VE）
NEC Vector Annealing ソフトウェア 　■ アニーリング処理に適した独自開発のアルゴリズムとベクトルコンピュータにより超高速に処理 　■ 10万量子ビット相当の大規模な組み合わせ最適化問題に対応 　　 ・ビッグデータ／AIソフトウェアと連携したアプリケーションを容易に開発可能 　　 ・８VE構成の場合は30万量子ビット相当まで対応可能 　■ インターネット未接続のネットワーク環境でも利用が可能
〈 次のような研究に向いています 〉 　・ 流体解析　・ 流体力学　・ 大規模シミュレーション　・ 数値シミュレーション　・ 気象予測

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■ GPUで計算もアニーリングも

　2つ目の紹介は、NVIDIA GPU を使用するハイブリッドシステムです。HPCでGPUを利用されている方々も非常に多いと思います。その場合には「NVIDIA cuQuantum Appliance」を導入することで、従来の計算も行いつつ、アニーリングマシンとしても使うことができます。「量子コンピューティングをやってみたい」や「量子コンピュータの開発をしなければ…」と思っているものの「量子コンピュータのクラウド利用してまでの研究は出来ないよ」というお悩みを抱えている方にご検討していただければと思います。

システム構成例
HPC × 量子コンピューティング 　～ NVIDIA GPU Ver. ～
■ CPU：Intel Xeon Gold 6338 (32コア, 2.0GHz) ×2 　■ Mem：256GB （16GB × 16） 　■ GPU： NVIDIA A100 80GB ×1 　■ SSD：480GB × 2 　■ SSD：3.84TB ×1 　■ NVIDIA cuQuantum Appliance 　※オプション：Singularity、Qulacs、Jupyter Lab/Notebook環境
NVIDIA cuQuantum Appliance 　■ NVIDIA cuQuantum：量子回路シミュレーションをGPUで 　　 加速できるソフトウェア開発キット 　■ 状態ベクトルおよびテンソルネットワーク手法に基づき、 　 　NVIDIA製GPUを使って量子回路シミュレーションを高速化 　■ NVIDIA cuQuantumを簡単に利用できるよう 　 　デプロイ可能なソフトウェアとしてコンテナ化
〈 次のような方に向いています 〉 　・ 量子回路シミュレータを使って量子コンピューティングをやってみたい方 　・ 量子コンピュータのアルゴリズムの開発をやってみたい方

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■ cuQuantumで高速化

　「cuQuantum」とはNVIDIA社が無償で提供する量子コンピューティングのために開発されたソフトウェア開発キット（SDK）です。「cuQuantum」には「状態ベクトルシミュレータ」と「テンソルネットワークシミュレータ」が内包されており量子回路シミュレーションを行う場合、簡単に高速化ができるようになります。「NVIDIA cuQuantum」はSDKなので実際にご利用する場合には、IBM社のQiskitもしくはGoogle社のCirqなどと組み合わせてご利用ください。

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■ AI向けのシステムにTorch Tytan導入で『量子機械学習』

　HPC向けのシステムをご提案いたしましたが、続いてはAIを行われている方向けシステムのご紹介です。考え方は先にご紹介しましたGPUハイブリットシステムと同様で、GPUを搭載したシステムに「NVIDIA cuQuantum と Torch Tytan」を導入することで「機械学習」を行いながら、「量子機械学習」にもチャレンジすることができます。こちらは「これまでの機械学習に飽き足らない方」「ビックデータの解析をもっと速くしたい方」にご検討いただきたいシステムです。
　このシステム構成例の特長は、もちろんA100やH100でもご利用可能ですが、「RTX 6000 Ada」といった比較的入手しやすいGPUでも高速化が期待できる点です。

システム構成例
AI × 量子コンピューティング 　～ NVIDIA GPU Ver. ～
■ CPU：AMD EPYC 9654（96コア、2.4GHz）× 2 　■ Mem：768GB（32GB × 24） 　■ GPU：NVIDIA RTX 6000 Ada × 1 　■ SSD：960GB × 2 　■ SSD：3.84TB × 1 　■ NVIDIA cuQuantum Appliance 　※オプション：Singularity、Qulacs、Jupyter Lab/Notebook環境
〈 次のような方に向いています 〉 　・量子機械学習に興味のある方 ・ビッグデータの解析をもっと速くしたい方 ・これまでの機械学習に飽き足らない方

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■ Torch TytanでQUBOアニーリング

　「Torch Tytan」とは、QUBOアニーリングのためのツールです。この後「Torch Tytan」を開発された、blueqatさまからご紹介いただきますので簡単な説明にとどめますが、「PyTorchを使ってQUBOアニーリングができるツール」であり、無償で利用できます。手軽に量子コンピューティング、量子機械学習にチャレンジすることが可能です。

★ 開発者から その1

blueqat株式会社 CEO
湊 雄一郎 氏

　無料量子コンピュータシミュレータ２種
　NVIDIA cuQuantum（ゲート） & Torch Tytan（アニーリング）

NVIDIA cuQuantumとは？
　NVIDIA公式の量子コンピュータシミュレータであり、今NVIDIAのEosというスパコンで、H100を4,608基搭載し、45量子ビットの計算が行われています。元々、このソフトウェアはblueqat向けにNVIDIAがプラグインとして開発していたものを2021年に公式ソフトウェアとして提供したもので、現在、日本国内で開発が進められてるNVIDIA社内でも特殊なソフトウェアです。CPUだと24量子ビットくらいになると時間が1分近くかかってしまうものが、GPUだと1秒程度ででき、かつ、マルチGPUだとどんどん速度を上げていくと言えます。

　

cuQuantumはNVIDIA公式の量子コンピュータシミュレータ。NVIDIA Eos H100 * 4608で45量子ビットの計算。
https://developer.nvidia.com/cuquantum-sdk

 

cuQuantumの導入事例
　全世界で事例が増えていて、富士フィルム株式会社さまと慶應義塾大学さまと一緒に量子ソフトウエアの高速化として、48CPUよりも1GPUの方が速いという実績を出して、量子コンピュータのソフトウェア開発をしています。また、博報堂DYホールディングスさまとは、データフュージョンを実現する最適輸送問題をクークオンタムを使って機械学習でユーザデータを融合するような広告向けのアルゴリズムを開発して、既に多くの実績があります。

富士フイルム株式会社さま
慶應義塾大学さま
反復的なQPEアルゴリズムを使用して、産業上重要な分子の電子の基底状態と励起状態の量子化学計算を実施しました。単一のGPGPUをベースとしたシミュレータを使用して、マルチCPUをベースとした計算と比較してスピードアップを観測しました。また、この方法の実現可能性を量子シミュレータを使用して確認し、ベンゼンとその単置換体のπ-π*励起エネルギーを評価しました。
Quantum Phase Estimations of Benzene and Its Derivatives on GPGPU Quantum Simulators
Yusuke Ino, Misaki Yonekawa, Hideto Yuzawa, Yuichiro Minato, Kenji Sugisaki
https://arxiv.org/abs/2312.16375

博報堂ＤＹホールディングスさま
株式会社博報堂DYホールディングスは、blueqat株式会社と協力して、将来的な量子コンピュータ時代を見据えた取り組みとして、データフュージョンを実現する上で重要な最適輸送問題に対する量子アルゴリズムの構築および実証を実現しました。

 

Torch Tytanとは？

　これまで量子アニーリングとか疑似量子アニーリング、イジングマシンと呼ばれるものは、ローカルマシンで手元でやるには、ビット数が少なく、クラウドサービスを使う必要がありました。そこで、Py Torchと呼ばれるディープラーニング向けのフレームワークを使って、GPUに対応した大規模なイジングマシンを無料で作れるオープンソースのフレームワークを提供してます。これまではCPUを使うのが基本でしたが、GPUを使うことで、手元でも数万、数十万、数百万量子ビット単位のソフトウエアを作れるものとして開発し、既に提供が開始されています。

Torch TytanはPyTorchで書かれ、GPU対応大規模イジングマシンを簡単に構築でき、定式化ツールも搭載されたOSSフレームワーク。
https://github.com/tytansdk/tytan

★ 開発者から その2

ビネット＆クラリティ合同会社
安田 翔也 氏

QUBOアニーリングのためのツール Torch Tytan
　タイタンというQUBOアニーリングのOSSのパッケージが去年の1月に立ち上がり、有志によってどんどんアップデートされていっています。この度、トーチタイタンというGPUのソルバー、サンプラーが組み込まれて、比較的大規模な並列のサンプリングができるようになりました。業務課題を解ける準備ができたので、個人でも企業でも導入が進んでいます。無料のチュートリアル会も開かれているんですが、「マシンが足りない」とか、「うちの業務課題に合わせた応用のチュートリアル講座が欲しい」とか「GPUのセッティングがわからない」とかいう場合にはご相談いただければ、総合的にサポートいたします。
　ベンチマークとしては、従来から入っていたCPUのサンプラーを使うと、図の赤い線が最適解のラインで、ここに近いほど良い解となるのですが、10回実行してもこれです。対してGPUサンプラーだと並列で比較的大規模に並列計算できるので、かなり最適解に近いところが安定して得られていて（1回最適解も得られている）、性能が良いということです。

＊180量子ビットのジョブスケジューリング問題において、Torch Tytan（GPU）は安定的に良い解が得られることを確認。（同じ計算時間で各10回実行）

 

　次に別の問題ですが、20人のサンタクロースが50人の子どもにプレゼントを配り終えるまでの時間を短くする最適化です。従来の最も基本的な貪欲法でやると186ステップという時間で終わるのですが、トーチタイタンで並列でサンプリングすると大規模にできて、短い時間で解が得られます。

＊20人で50個の荷物を届ける「配送計画問題」の例

まとめ

■ HWもSWも、サポートも、どんなことでもまずはご相談ください

　「HPC・AI・量子コンピューティング」どの分野でもお任せください。30年の知見を活かして、皆さまのお力になります。
　「HPC・AI用途のハードウェアに量子コンピューティングのソフトウェアをバンドル」いたします。
　また、既にHPC・AI用途のハードウェアをお持ちの方もご相談ください。後からのソフトウェアインストールにも対応いたします。日本量子コンピューティング協会の専門家と連携しておりますので、「NVIDIA cuQuantum」「TorchTytan」の技術サポートや、量子コンピューティングを研究、業務に導入していくためのコンサルテーションもお任せください。「個別教育・講習会」や「プログラムの移行」サービスも実施しております。
　ぜひ、どんなことでもお気軽にお問い合わせください。

講演者プロフィール
	. HPC/エンタープライズ事業本部 営業統括部 比嘉 龍太郎	. ビジュアルテクノロジーのビジュアル担当。沖縄県那覇市出身。幼少期から大学まで野球をしていました。趣味は筋トレ、プロテインが欠かせない。170kgまで持ち上げます。以後、お見知りおきを！

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