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AWS SimSpace Weaver で実現する大規模空間シミュレーション: Part 1

AWS SimSpace Weaver は、大規模な空間シミュレーションのスケーリングに必要なインフラストラクチャの機能および SDK (Software Development Kit) を提供するマネージドサービスです。しかしこの一文で AWS SimSpace Weaver が解決する課題やマッチするユースケースをイメージするのは簡単ではないと思います。Part 1 となる本記事ではそれらについて理解を深めるために、AWS SimSpace Weaver の概念を中心に説明します。（Part 2 はこちら）
なお、本記事の内容は 2023 年 10 月時点の情報であるため、最新の情報は AWS SimSpace Weaver の Documentation を参照ください。

空間シミュレーションとは

AWS SimSpace Weaver は、大規模な空間シミュレーションのスケーリングにまつわる課題を解決します。この点を理解するために、まずは空間シミュレーションとは何かを確認しましょう。
空間シミュレーションを大きく分類すると、座標系に基づいたシミュレーションとネットワークベースのシミュレーションがあります。座標系に基づいたシミュレーションでは、シミュレーション対象の要素は各々 2 次元や 3 次元の座標を持ちますが、ネットワークベースのシミュレーションでは、要素間の関係をネットワーク構造で表現し、各要素の状態と情報の伝達をシミュレートします。また別の分類として、Agent ベースのシミュレーションと離散的なイベントベースのシミュレーションがあります。Agent ベースのシミュレーションでは様々な相互作用のもとで時刻と共に変化する物体の状態を逐次計算しますが、離散的なイベントベースのシミュレーションは、個々の物体よりも発生するイベントに注目し、各イベント発生時の状態を計算します。
この分類に基づくと、AWS SimSpace Weaver が適しているのは、座標系に基づいた Agent ベースの空間シミュレーションになります。このモデルは座標系上に存在する物体 (Agent) を扱います。各 Agent は周囲環境と外部入力に基づいて行動するアルゴリズムを持ち、Agent 同士も相互作用し、単一の連続的な時間軸に沿って変化する状態を逐次計算するモデルです。例えば、人流や物流のシミュレーションでは、歩行者や配達車両を Agent とし、他の Agent や周囲の障害物との位置関係や交通ルール等の規制を考慮し、衝突を回避したり目的地へ到達したりするように各 Agent の状態を計算します。このモデルでは、ネットワークベースや離散的イベントベースのシミュレーションと異なり、任意の時刻における全 Agent の位置を計算できるため、火事や河川氾濫等の災害時の避難やイベント開催時の人流シミュレーションにおいて、特に混雑するエリアや危険地帯の予測などに利用できます。

AWS で空間シミュレーションを実現する方法

空間シミュレーションには複数の種類があり、それぞれ AWS 上での最適な実現方法は異なります。例えば流体解析 (Computational Fluid Dynamics: CFD) によるシミュレーションや天候予測といったものは、最適な計算手法や分散処理手法が確立しているため、ハイパフォーマンスコンピューティング (HPC) 最適化インスタンスを利用するのがコストパフォーマンスの高い方法です。一方で AWS SimSpace Weaver は、独自のアルゴリズムで行うシミュレーションや、インタラクティブにトライアンドエラーを繰り返すようなシミュレーションをスケールアウトするのに適しています。
次に、空間シミュレーションをオフラインシミュレーションとオンラインシミュレーションの二つに分類します。オフラインシミュレーションとは、シミュレーション実行中の外的な入力を許さず、初期パラメータとシナリオに沿って進むものとします。このようなシミュレーションはできる限り速く処理できることが重要です。AWS SimSpace Weaver はこのようなユースケースにも対応できますが、シミュレーションのアルゴリズムによってはやはり HPC 最適化インスタンスを利用する方がよい場合もあります。
一方、オンラインシミュレーションは、外部からの入力によるシミュレーションへの干渉を許します。外部からの入力とは、例えば災害時避難の人流シミュレーションにおいて、避難中に障害物を置いたり建物を壊したりなどの操作を行うことです。決められたシナリオではなく、インタラクティブにシミュレーションに手を入れることで複雑な仮説検証を実現できます。エンターテインメント分野においても、MMO (Massively Multiplayer Online) ゲームのようなオンラインゲームや、広い空間に多数のユーザーがアバターとして参加して交流するサービスなどは、オンラインシミュレーションの一種と言えるでしょう。AWS SimSpace Weaver はこのようなオンラインシミュレーションを大規模にスケールアウトするようなユースケースに特に適しています。
オフラインおよびオンラインシミュレーションのどちらのユースケースにおいても、AWS SimSpace Weaver がマッチするのは「単一の空間シミュレーションを（単一プロセスや単一インスタンスでは処理できないほど）大規模にスケールしたい」場合です。単一インスタンスで扱える規模の空間シミュレーションであれば、シンプルに単一インスタンスで実行するべきです。またそのような単一インスタンスで実行できる規模のシミュレーションを大量に並列実行して早く結果を得たいようなユースケースでは、AWS Batch 等の他の HPC 関連サービスが活用できます。

AWS SimSpace Weaver が解決する課題とは

空間シミュレーションを大規模に実行する際に問題となるのは、シミュレーション内で扱う物体の数が増えることで計算リソースが不足することです。シンプルな対策はシミュレーションロジックの最適化とインスタンスのスケールアップですが、それにも限界があります。更なる対策として空間シミュレーションを複数のインスタンスにスケールアウトする方法があります。例えば各インスタンスが扱う空間上の領域を分割して分散処理する方法です。この時の主な課題は、各インスタンス間での情報のやり取りの仕組みと、時刻同期の仕組みです。特にオンラインシミュレーションにおいてはリアルタイム性が重要なため、これらの課題が顕著となります。
AWS SimSpace Weaver はこれらの課題を解決するためのインフラストラクチャと機能をマネージドに提供します。お客様は AWS SimSpace Weaver により提供される Software Development Kit (SDK) を利用してシミュレーションロジックを実装することで、シミュレーションをスケールアウトできます。また AWS SimSpace Weaver はシミュレーションを実行するサーバーへネットワーク接続するためのエンドポイントを提供できるため、外部からの入力やシミュレーションの可視化を行うアプリケーションと情報のやり取りが可能です。

まとめ

AWS SimSpace Weaver は、座標系に基づいた Agent ベースの空間シミュレーション、特にオンラインシミュレーションのユースケースにおいて、単一のプロセスやインスタンスでは処理しきれないほど大規模にスケールしたい場合に適したサービスです。AWS SimSpace Weaver は、スケールに伴って生じる課題である、各インスタンス間での情報のやり取りの仕組みや時刻同期の仕組みなどをマネージドに提供します。AWS SimSpace Weaver で、大規模な空間シミュレーションを実現しましょう。
Part 2 の記事では、AWS SimSpace Weaver のコンセプトと機能の概要を紹介します。

DNBソリューション本部 Game Techグループ ソリューションアーキテクト 西坂 信哉

リソース