並列処理アーキテクチャとは？SMP・MPP・NUMAの3方式を徹底解説

並列処理アーキテクチャの3つの基本形

サーバー市場における並列処理のハードウェアアーキテクチャには、大きく分けて3つの基本形があります。対称型マルチプロセッシング（SMP）、超並列処理（MPP）、そして非均一メモリアクセス（NUMA）です。それぞれの仕組みと特徴を詳しく見ていきましょう。

対称型マルチプロセッシング（SMP）

SMPアーキテクチャは、複数のプロセッサを1台の装置に搭載し、すべてのプロセッサを1つのオペレーティングシステム（OS）で管理する構成です。すべてのプロセッサが同一のディスクとメモリ領域にアクセスできる点が最大の特徴です。

プロセッサを8〜32基搭載したSMPマシンに、並列処理対応のデータベース、大容量メモリ（2GB以上）、高性能なディスク、そして優れたシステム設計を組み合わせれば、中規模のデータウェアハウスでも十分なパフォーマンスを発揮できます。

ただし、この構成が機能するには、データベースがプロセスを並列に実行できること、そしてデータウェアハウス側の処理も並列処理能力を活かせるように設計されていることが前提となります。

プロセッサは共有リソース（メモリやディスク）に高速にアクセスできますが、そのリソースへ到達するための共通経路であるバックプレーンが、システムの拡張に伴ってボトルネックになる可能性があります。

さらに、SMPマシンは単一のエンティティであるため、ウェアハウス全体における単一障害点（SPOF）となるという弱点も抱えています。これらの課題を克服するため、ハードウェアベンダーは複数のSMPマシンを相互に接続する「クラスタリング」という技術を開発しました。

クラスタ構成では、各ノードが独自のOSで動作するSMPマシンとして機能しますが、クラスタ全体としては、マシン間でディスクを共有し、フェイルオーバーによるバックアップを提供するための接続と制御ソフトウェアが備わっています。これにより、1台のマシンが障害を起こしても、クラスタ内の他のマシンが一時的にその処理負荷を引き継ぐことが可能です。

もちろん、この利点にはコストが伴います。クラスタリングは非常に複雑で、管理が難しい場合があります。クラスタ全体を横断して動作するデータベース技術は、現在も進化を続けています。

超並列処理（MPP）

MPPシステムは、比較的独立したコンピュータの集合体です。各ノードはそれぞれ独自のOS、メモリ、ディスクを持ち、ノード間でメッセージをやり取りすることによって全体が連携・調整されます。

MPPの強みは、何百ものマシンノードを接続し、力任せ（ブルートフォース）のアプローチで大規模な問題に取り組めることです。

例えば、大きなテーブルに対してフルテーブルスキャンを実行する必要がある場合、そのテーブルを100ノードのMPPシステムに分散し、各ノードがテーブルの100分の1を担当してスキャンすれば、比較的高速に処理を完了できます。まさに「人多ければ仕事は軽し」のコンピュータ版と言えるでしょう。

非均一メモリアクセス（NUMA）

NUMAは、SMPとMPPを組み合わせたアーキテクチャで、SMPが持つディスク共有の柔軟性と、MPPが持つ並列処理の高速性を両立させることを目指したものです。このアーキテクチャは比較的新しい技術であり、長期的な視点ではデータウェアハウスにとって実用的な選択肢となり得ます。

NUMAは、SMPマシンをクラスタリングするという考え方と概念的に似ていますが、ノード間の接続がより密で、帯域幅が広く、ノード間の連携も高度である点が大きく異なります。

ウェアハウスを比較的独立した利用グループに分割でき、各グループをそれぞれのノードに配置できる環境であれば、NUMAアーキテクチャは有効に機能する可能性があります。

3つのアーキテクチャ比較まとめ

SMP： 単一システム内で複数プロセッサがメモリとディスクを共有。構成がシンプルで中規模用途に適するが、拡張時のボトルネックと単一障害点が課題。

MPP： 独立したノードの集合で、メッセージ通信により連携。数百ノード規模への拡張性に優れ、大規模データ処理に強い。

NUMA： SMPの柔軟性とMPPの高速性を融合したハイブリッド方式。密な接続と高い帯域幅により、ノード間連携を実現する次世代型アーキテクチャ。

システムの規模、可用性の要件、予算に応じて、最適な並列処理アーキテクチャを選択することが、高性能なデータウェアハウス構築の鍵となります。