HPC(スパコン)市場拡大でスタートアップはどう変わるか？
・HPCは医療、環境問題など様々な面で活躍し、我々の生活をより豊かで安心・安全なものにする
・HPCのトレンドはライフサイエンスとヘルスケア分野、北米が台頭
・HPC関連スタートアップへの投資価値は十分にある
HPCとは？普通のPCと何が違うのか？
高性能計算、ハイ・パフォーマンス・コンピューティング（high-performance computing、HPC）は、計算科学のために必要な数理からコンピュータシステム技術までに及ぶ総合的な学問分野です。これを行う手段として一般的なのが、超高速処理が可能なコンピュータ、HPC（スーパコンピュータ）です。HPCと普通のPCの大きな違いは、その計算速度です。家庭用のパソコンと比べて約1,000倍以上速いものをHPCと呼びます。
「京」は1秒間に1京回(京は1兆の1万倍)の計算ができるHPCで、普通のパソコン数十万台分の速度です。2021年2月現在世界ランキング1位のHPC「富岳」は1秒間に41.6京回の計算が可能です。
HPCが解決する課題①医療への応用
HPCの大きな特徴は計算能力の高さです。膨大な計算を短時間で、より正確に行うことが可能です。これが活かされている分野の一つに医療分野があります。
新薬の開発に必要な計算をHPCで
薬の開発プロセスは、鍵と鍵穴の関係で説明することが出来ます。病気は通常、病気の原因分子(鍵穴)と体内物質(真の鍵)が反応することで起こります。それを防ぐため、体内物質(真の鍵)に似た薬(偽の鍵)を作ります。こうすることで真の鍵の反応を抑制し、病気につながる反応を抑えることが可能になります。「鍵穴を塞ぐ」化合物を見つける事が新薬の開発に繋がるという事です。
(https://www.r-ccs.riken.jp/jp/fugaku/pi/drugdiscoveryより)
この化合物を探す段階で計算が活躍しています。コンピュータの中に、原因分子の鍵穴の形をつくっておき、いろいろな化合物がそこに入るかどうかをシミュレーションで調べるのです。
富岳では、現状使われている京よりも「長時間」のシミュレーションを「大規模」に行うことを目指しています。
(https://www.r-ccs.riken.jp/jp/fugaku/pi/drugdiscoveryより)
「長時間」とは原子を動かす時間を長くすること、「大規模」とは調べられる組み合わせの数を増やすことです。こうすることでシミュレーションできる時間が長くなります。また、化合物が、別の分子に結合して副作用を起こす可能性や、想定していなかった原因分子に結合して別の薬効が見つかることもあるでしょう。「富岳」でのシミュレーションは、製薬企業にとって、実際の薬の設計に使える強力な武器となる可能性を秘めているのです。
実際、こちらの記事にあるように、新型コロナウイルス関連のシュミレーション事例でもHPCが活躍しています。
HPCが解決する課題②エネルギー問題の解決
HPCが得意とする作業はシミュレーションです。これをクリーンエネルギーシステムの実用化に活かしてエネルギー問題の解決を目指します。
(https://www.r-ccs.riken.jp/jp/fugaku/pi/kadai6 より)
コストや環境に対する影響、安全性や資源量などあらゆる面で優れたエネルギー源はありません。
複数の革新的クリーンエネルギーシステムの実用化を進める必要があります。HPC「富岳」により、巨大なエネルギーシステムの中で起きるさまざまな現象の過程を、条件を変えて何度でもシミュレーションできるようにします。
そのようなシミュレーションにより
・二酸化炭素（CO2）を出さない石炭火力発電の鍵となる石炭ガス化炉
・低コストで耐久性の高い燃料電池
・洋上の大規模な風力発電施設
・核融合発電の実用化
などの加速が出来ると考えられます。
HPCが解決する課題③環境問題の解決
HPCのシミュレーション技術を駆使して気象と地球環境の予測の高度化が可能です。
(https://www.r-ccs.riken.jp/jp/fugaku/pi/kadai4 より)
地球温暖化の進行に伴い、局地的豪雨や竜巻、巨大台風などの異常気象が増加しています。
HPC「富岳」を駆使して、高精度のシミュレーションと「ひまわり8号」などの観測ビッグデータを最大限に活用することで、局地的豪雨や竜巻をいち早く予報するとともに、それらの気象現象が人や建物に及ぼす被害レベルを推定する技術が開発できます。
また、地震や津波のシミュレーションにもHPCは利用されています。
現在内閣府に採用されているシステムは、地震発生直後に津波シミュレーションを行って、20分足らずのうちに被害推計を行います。(https://ps.nikkei.co.jp/leaders/interview/spctsunami2002/) この世界初、世界最速の被害推計システムの中核を担うのは、NECのHPCです。
気象庁はあらかじめ、地震規模や震源地を想定した津波を複数シミュレーションしていて、いざ地震が起きるとその中から状況に近いものを発表するという方式です。それに対し、この「津波浸水・被害推計システム」は、世界で初めて地震発生後にリアルタイムで高速計算し、都度予測を立てます。地震波や地殻変動の実データに基づいて予測することで高い精度が実現されました。
HPC市場のトレンドは？
ライフサイエンスとヘルスケア分野
HPC Wireによると、ゲノミクス・精密医療分野の進歩と電子カルテやデジタル画像の普及、医療IoTとモバイルデバイスの急増により、医療関連データが爆発的に増加しています。2020年までに、世界で生成される医療データの量は73日ごとに2倍になると予想され、先進国の一般的な医療消費者は一生のうちに1,200テラバイトのデータを作成することが期待されます。これらのデータを保管、更にはデータ分析、推移予測まで担えるようなコンピュータが不可欠になります。
医療分野でのAIの採用は、医療専門家の診断を大きく変革してきました。例えば、AI画像認識は、収集された膨大なデータを調べて医師が癌などの病気を正確に診断するために大きく貢献しました。
また、データサイエンティストに画像および配列分析を超えたデータを提供し、計算モデリングを可能にします。研究者は、分析ツール、大規模な分析に拡張された機械学習フレームワークを使用できるようになります。ゲノム解析、分子動力学、薬物の臨床試験シミュレーション、および医用画像処理は、HPC機能の迅速な採用を経験した重要な応用例です。過去の経験とデータのプライバシーと機密性を提供するプラットフォームを備えたベンダーは、業界の激戦を勝ち抜く力を持つでしょう。
(https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/high-performance-computing-market より)
北米が大きなシェアを占める
北米地域は、米国とカナダでの健全な技術開発によって推進される高度な技術の早期採用で知られています。 COVID-19の継続的な発生の中で、Forbesは、戦いに対する最も価値のある武器の1つとしてHPCに言及しました。 2020年4月13日の時点で、国内で560,000を超えるアクティブなコロナウイルスの症例がありました。一方、カナダではこの数字が24,000を超えました。これに対応する為、2020年4月、連邦政府は政府、業界、学界を結集し、強力なHPCリソースへのアクセスを提供しました。このような開発は、ヘルスケア分野での機会を早めることが期待されています。
2020年2月、米国国防総省は、HPC近代化プログラムの下でCrayに2,650万米ドル以上を投資することにより、複雑な計算を実行するための全てのHPCソリューションをアップグレードすることを発表しました。
2021会計年度のホワイトハウスの予算は、HPC分野の主要国（米国）としての地位を確保するために、 exascale computing に4億7500万米ドルを超える投資を提案しました。
国全体で、膨大な予算を注ぎ込んでまで力を入れるべき分野である、という方針が顕著に現れています。
(https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/high-performance-computing-market より)
注目のHPC関連スタートアップは？
注目のHPC関連スタートアップをいくつか紹介します。
イスラエルを拠点とし、クラウドデータセンター向けのAIと機械学習アクセラレータの開発を行っています。HPC界隈では注目のIntel Capitalが20億ドルの投資を行ったことでも有名になりました。AIや機械学習を対象とし、AIの処理能力、消費電力及びコストを改善するソリューションを提供しています。
Rescaleは、クラウドベースのHPCサービスのプロバイダーです。企業がDXを行う際に必要なシミュレーションを実行するためのソフトウェアプラットフォームおよびハードウェアインフラストラクチャを提供しています。 安全なファイルの保存と転送、AIベースの災害復旧と自動化、マルチクラウドの保存とセキュリティなどを可能にしています。
NCIは、研究用のHPCソリューションプロバイダーです。 データ管理、データストレージ、地球観測、地球科学、研究データの相互運用性、仮想デスクトップインフラストラクチャ、科学的視覚化などが包括的に行います。オーストラリア全土の研究者にサービスを提供しており、最先端の研究や幅広いサービス領域が特徴です。
HPCに投資する価値はあるのか？
HPCは革新と発見を可能にします。このことには皆が同意するでしょう。では、それがどれだけの価値があるかを定量化出来るのでしょうか？
平均投資収益率は？
Hyperion Researchの研究による毎年の“ROI of HPC”調査は、驚くべきことに、HPCに投資している組織は4,300％という驚異的な平均投資収益率を期待できると報告しています。つまり、HPCに費やされる1ドルあたりの利益は44ドル、収益は463ドルとなります。
HPCの実際のROI
HPC投資の実際のROIは、それほど高くはありません。ただ、正確な測定は非常に複雑で難しいです。 ROIの計算式は単純で、総投資に対する純利益です。 HPCの総投資額は十分に把握できますが、HPCがデプロイされているプロジェクトの場合、これは総投資額と同じではありません。 HPC自体を超えるコストがあります。更には限界投資の測定や二次需要の刺激も考慮する必要があり、結果実際のROIは20%から40%に落ち着くと予想されます。
統計的にわかることは何か？
2014年に、米国競争力評議会による大規模調査が行われました。その調査では、回答者の86％が、「HPCは当社のビジネスの将来の方向性にとって重要である」と回答しました。 79％が、「私たちの問題のいくつかについては、HPCメソッドが唯一の実用的な解決策である」と回答しました。 しかし、価値の重要な主張にもかかわらず、企業はしばしばHPC投資を社内で正当化するのが難しいと感じています。 19％の確率でROIが得られますが、これは解決までの時間、他の手段で問題を解決できないこと、コスト削減などの理由が混ざり合っています。
“Solve. The Exascale Effect: The Benefits of Supercomputing Investment for U.S. Industry.”
HPC予算と株価推移から見る企業の今後
Relative Stock Price by Year with HPC Budget Changes, Intersect360 Research, 2020
HPCの予算が増加したと報告される前の2年間は、平均して、企業の株価は市場のパフォーマンスよりも良好です。逆に、HPC予算の減少が報告される前の2年間、平均株価は横ばいであり、市場のパフォーマンスよりも悪くなります。 HPC予算の変更と最近の市場パフォーマンスの間には相関関係があります。
ただし、将来的には相関関係はありません。 HPC予算の増加後の企業の3年間の平均株価パフォーマンスは、減少後の企業のパフォーマンスと変わらず、関連する年の平均市場パフォーマンスをわずかに下回っています。
HPCへの投資価値は？
HPCへの投資を増やす企業が、そうでない企業よりも優れているという兆候がない場合、それはHPCが価値がないことを意味するのでしょうか？もちろん違います。 Solveのアンケート集計結果を見てください。 HPCは、コンピュータ利用者、研究者にとって重要なものであり、多くの企業にとって、HPCはビジネスを行うために必要なコストの一部です。このデジタル競争時代で成功するために欠かせないものであることに間違いはありません。毎年多くの企業がHPCを採用し続けている現状と、前に紹介した医療分野のみならずAI、機械学習分野の今後の成長と需要を考えるとHPCへの投資価値は十分にあると言えます。
スタートアップはどう変わるのか？
幸いなことに、ほとんどの企業はHPCへの投資が増えると、平均してハードル・レートがクリアされると考えられます。HPC市場は2021年から2026年にかけて6.13%のCAGR(年平均成長率)が期待されています。HPC市場は拡大し続け、関連するスタートアップとそれらへの投資額は増大していくでしょう。
リファレンス
・理化学研究所公式サイト『スーパーコンピュータ「富岳」について』（アクセス日: 2021/02/20）
・富士通公式サイト『特集：スーパーコンピュータ「富岳」』（アクセス日: 2021/02/20）
・WORLD ECONOMIC FORUM『The 8 most powerful supercomputers and where to find them』（アクセス日: 2021/02/20）
・LEADERS VISION『世界初・世界最速！ 地震発生直後に津波被害をリアルタイム推計するシステム』（アクセス日: 2021/02/20）
・Mordor Intelligence『HIGH-PERFORMANCE COMPUTING (HPC) MARKET - GROWTH, TRENDS, COVID-19 IMPACT, AND FORECASTS (2021 - 2026)』
・HPC Wire『ROI: Is HPC Worth It? What Can We Actually Measure?』