ラズパイCM5を7台つないだミニスパコンの性能を測る

この動画はDigiKeyの提供でお送りします。こんにちは。今日はシングルボードコンピュータであるRaspberry Piを使って、ミニスーパーコンピュータが作れるのか試してみます。

使うのはこちら、Raspberry Pi Compute Module 5です。CM5と呼ばれているものです。見ての通り通常のラズパイとは違って、サイズ感はかなり小さくなっています。

CM5は主に産業向けや組み込み向けで使われる事を想定しているものです。そのためコストやスペックを調整しやすくするために、RAMとストレージ容量の大小、無線通信機能のあり・なしを選べるようになっています。またUSBや有線LAN、HDMI端子など、ラズパイ 5に標準で付いていたものもこちらには付いていません。

この業務用感丸出しのCM5を使ってミニスーパーコンピュータを作っていくわけですが、その前に今日のスポンサーの紹介です。どうぞ。

皆さんDigiKeyで部品を購入する機会があると思うのですが、実はDigiKeyは部品以外にも役に立つコンテンツも作っています。トップのリソースからアプリケーション & テクノロジーセンターを開いて、今回は組み込み & マイコンについて見ていきます。

マイコンの命令セットから始まり、基本的な仕組みから、どんな種類のマイコンがあるのかについて触れられています。マイコンボード形状の比較などもあります。これを見る限りでは、今回使うラズパイ CM5はシステムオンモジュールの形状です。

下の方まで行くと結構ボリュームがあって、特にこのあたりのマイクロプロセッサやマイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサの違いなどは結構興味深いです。このページを一通り読むと、マイコンって何なのかというのがだいたいわかるようになると思います。

イチケンの動画でマイコンという単語が出てくるけど、そもそもマイコンって何だという方や、組み込み開発をこれから始めたい、マイコン選びで迷っているという方は、ぜひ概要欄のリンクからチェックしてみてください。

まずCM5がどのようなボードなのか見ていきます。いくつかラインナップがある中で、今日使うのはRAMが16GB、ストレージが64GB、そして無線機能付きのものです。今後いろいろなプロジェクトで使う事を考えて、選べる中では一番ハイスペックなものを選定しています。当然今回もDigiKeyで購入しています。

価格についてですが、ラズパイもRAMやストレージの品不足が響いてきて、公式で値上げをしています。こちらは2025年の12月に購入したものですが、そのときの価格は税抜きで2.1万円、そして今の価格を見てみると税抜きで3.5万円となっています。一番ハイスペックなものを買ったというのもあるのですが、結構値上がっていますね。早めに買っておいてラッキーでした。

買ったときには技適の表記はなかったので、今回のようなミニスパコンを作るような用途では、無線機能をオフにするか、あるいは最初から無線機能がないものを選んでおくと良いと思います。特に無線機能がない方が安くできますからね。

通常のラズパイ 5と比べてみます。サイズ感はかなり小さくなっています。これはラズパイ 5にあった有線LANやUSB端子、HDMI端子がなくなったこと、そしてGPIOの出力ピンがなくなったことが効いています。上に載っているプロセッサの配置は、コンパクトに集まるようなレイアウトになっています。

標準のラズパイ 5はストレージが搭載されておらず、別途SDカードかSSDをストレージとして用意する必要があります。CM5はストレージありのものを選べるようになっています。実際に裏面を見てみると、ここにストレージが実装されています。

CM5を実際に使おうとする場合、これ単体で使うのはかなり難しくて、マザーボードのようなものに挿して使う事になります。CM5の裏側には200ピン引き出せるコネクタが付いているので、そこに自作のマザーボードであったり、サードパーティ製のマザーボード、またはRaspberry Pi財団が公式で出しているCM5用のI/Oボードに接続して使います。このように挿すと、通常のラズパイ 5と同じように使う事ができます。

今回スパコンを作っていくわけですが、CM5の台数分このI/Oボードを買うのは費用面で非常にもったいないです。というのもミニスパコンを動かすために、CM5の台数分HDMIやUSB、GPIOは使わないですから。そのため今回はさらにコストを低くミニスパコンを構築出来るものを探す事にしました。

世の中探してみると、いろいろなものが売っていまして、SipeedからNanoClusterというCM5をクラスタ化出来るキットが出ています。ですからCM5とこちらのキットを組み合わせてミニスパコンを作る事にします。

NanoClusterについて見ていくと、このように変換基板があります。ここにCM5を載せて、これをさらにここに挿していきます。このような状態です。変換基板の上にCM5が載ってて、そしてさらにマザーボードのところに挿していきます。

変換基板にはマイクロSDカード、SSDのスロット、電源供給用のUSB-Cがあります。SSDのスロットなどがあるのは良いですね。ストレージをさらに拡大できます。確認はしていませんが、無線付きCM5なら、これに挿すだけでも使えてしまいそうです。

組み立てていきます。

このように組み立てました。7個のCM5をクラスタ化しています。では実際に使っていきます。電源のUSBケーブルを挿せば動作します。

起動しました。冷却ファンの音が結構うるさいです。消費電力は何も計算をしていないアイドリング時で21W程度です。温度は30℃台前半です。計算していない状態でこの温度なので、計算をすると温度はもっと上がります。ですから冷却ファンは、このくらいのミニスパコンであっても必須です。

まずはモンテカルロ法を使って円周率を計算する事にしました。結果はどうなったかというと、ノード数が1のときはだいたい20sぐらい演算時間がかかりました。今回の場合は2億回計算しています。ノード数が2つになると演算にかかる時間は半分になって、そこからノード数をさらに増やしていくと演算時間は短くなっていきます。

ノード数が7のときにかかった時間は2.9sとなっていて、もともと20sかかっていた計算が1/7の時間で終わっているので、並列化の効果がよく見えています。このようなモンテカルロ法を使った計算では、ノード数を増やしていってスパコンのように使う効果がかなりよくわかります。

他のベンチマークについても実施してみます。次はLINPACKを使ったベンチマークです。実行結果を見てみると、数十GFLOPSとなっています。ノード数を増やしたとしても、ノード数を増やした分だけ計算能力が上がるかというと、これを見る限りではそんな事はなさそうです。ノード数1のときが38.8GFLOPS、ノード数が7のときに85.9GFLOPSでした。7倍に増えるというわけではないですね。

ちなみにこの性能が過去のスパコンと比べたときにどれくらいの性能かというと、1993年～1994年の当時の最先端のスパコンと同じくらいの演算性能を持っています。30年前のスパコンと同じくらいの性能のものがこの手のひらサイズに収まるのですから、すごいですよね。

今回はLINPACKを使いましたが、このベンチマークは演算性能の比重が高いベンチマークであり、実際の科学計算アプリケーションのようにメモリアクセスなどを含めた性能を見ていないとも言われています。実際のアプリケーションでは、CPUとメモリ間のデータのやり取りも多いと思いますからね。

そのため次はHPCGでも試してみました。HPCGは実際の科学計算アプリケーションに近いメモリアクセスや通信パターンを含むベンチマークです。LINPACKでは見えないメモリ帯域やノード間通信の性能がスコアに大きく影響します。そのためLINPACKでは高い性能を示す計算機でも、HPCGでは大幅にスコアが低下する事もあります。

こちらがHPCGの実行結果です。LINPACKと比べるとギガフロップスは大幅に下がっています。1ノードのときは1.10GFLOPS、7ノードのときは6.54GFLOPSです。HPCGではメモリアクセスなども考慮されていますので、これがラズパイ スパコンの実力という事でしょうか。

ただLINPACKのときとは違って、ノード数に比例して演算能力は上がっています。今回はこのクラスタ1台のみでの結果です。このクラスタを複数台並列接続したときに同じ傾向となるかはわかりません。

全7ノードで計算を実行しているときの消費電力は62Wでした。さらに温度測定もしています。ここで60W分の熱が発生しているので、やはり結構熱くなっています。最高温度は70℃程度でした。いくらラズパイで作るスパコンといっても冷却は必須です。

次は電力効率について見ていきます。最先端のスーパーコンピュータの消費電力は数MW～数十MWである事が多いです。この場合電気代だけで年間数十億円になる事もあります。またそれだけ消費電力が大きいと冷却も大変になります。したがってスパコンの計算能力を上げようと思っても、先に冷却と電力が限界にくる事もあります。

そうなってくると、電力効率といって同じ電力でどれだけ多く計算出来るかという指標が、スパコンの性能を見る上で重要になってきます。

こちらのグラフを見ていきます。このグラフは消費電力1Wあたり何GFLOPS計算できるかというのを示しています。現在の電力効率の世界1位がKAIROSというスーパーコンピュータで、電力効率は73.3GFLOPS/Wです。その右にあるのが、LINPACKスコアで現在世界1位のEl Capitanが60.9GFLOPS/W、日本のスパコンの富岳が15.4GFLOPS/Wとなっています。これに対して今回作ったラズパイ CM5のミニスパコンが、実測で1.4GFLOPS/Wでした。

ここで注目してほしいのは、KAIROSやEl CapitanはGPUアクセラレータを積んでいて、計算のほとんどをGPUにやらせる事で電力効率を上げています。一方で富岳はCPUだけで動いています。今回のラズパイ クラスタもCPUだけで計算しているので、比較するのであれば富岳の方が良いです。

とはいえ、その富岳と比べても今回作ったミニスパコンは1/10の電力効率しかありません。ただそれは、富岳がスーパーコンピュータとして専用に設計されたプロセッサと高速なメモリを積んでいるからです。それに対してCM5は汎用のシングルボードコンピュータなので、そりゃそうなるよねっていう話です。

という事で、今回はラズパイ CM5を7台使ってミニスーパーコンピュータを作ってみました。LINPACKでは7ノードで85.9GFLOPS、これは1993年～1994年頃の当時の最先端のスーパーコンピュータの性能に匹敵します。30年前のスパコンと同じ性能のものが手のひらサイズに収まるというのは、なかなかロマンがあると思います。

HPCGではメモリアクセスも含めた結果が見えてきて、7ノードで6.54GFLOPSでした。LINPACKとは性能に大きな開きがありましたが、ノード数に比例して計算性能がスケールしていたのは良い結果と思います。

電力効率についても最先端のスパコンと比べると大きな差はありましたが、ラズパイという汎用のボードでここまで出来るのはなかなか面白いと思います。もちろん性能を追い求めるだけではなくて、勉強用にこのようなミニスパコン、クラスタを組んでみるのも面白いと思います。

というわけで、もしこの動画が役に立ちましたら高評価・チャンネル登録よろしくお願いします。何か気になる事がありましたら、ぜひコメントも残してみてください。それでは最後まで動画のご視聴ありがとうございました。