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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 2

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。前回の記事「AWS SimSpace Weaver で実現する大規模空間シミュレーション: Part 1」では、空間シミュレーションの分類や AWS での実現方法、そして AWS SimSpace Weaver が提供する機能と解決する課題について概要を紹介しました。本記事は Part 2 となり、AWS SimSpace Weaver が提供する機能と解決する課題についてのより詳細な解説を行い、AWS SimSpace Weaver を実際に導入するにあたってのステップを紹介します。
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。

AWS SimSpace Weaver のコンセプト

本記事ではオンライン空間シミュレーションの具体例として、状況の可視化やインタラクティブなシナリオ操作を伴う人流・物流シミュレーションを例にして AWS SimSpace Weaver の使いどころを考えていきます。
大規模な人流シミュレーションとはどんなものでしょうか。ある施設で火事が発生し 100 人ほどが避難するシミュレーションはそれほど大規模ではないことはイメージできるかと思います。では大きなイベントホールから 50000 人が避難する場合はどうでしょうか。あるいは何らかの警報をきっかけに一都市全体で住民が一斉に避難を始めた場合のシミュレーションはどうでしょうか。他にも、数万台の車両が走行している一都市全体の交通状況を考慮した物流や緊急車両の走行シミュレーションではどうでしょうか。これらのシミュレーションの計算には大きなコンピュート処理能力が必要となります。従来のアプローチでは、CPU やメモリの能力を最大限に引き出すためにコーディング技術を駆使したり、チューニングを限界まで行ったりする必要がありました。そしてシミュレーションアプリケーションが単一プロセスや単一インスタンスの性能では処理しきれなくなったとき、スケールアップの限界を迎えます。よりスケールさせるには、スケールアウトのアプローチが必要となります。
空間シミュレーションをスケールアウト、つまり複数のインスタンスやプロセスにまたがって一つの空間シミュレーションを実行する典型的な方法は、空間分割です。シミュレーションで扱う空間を二次元 (または三次元) 座標のグリッドに分割し、各領域 (パーティション) の処理を異なるプロセスで実行するというアプローチです。

空間分割のイメージ

空間分割のイメージ

このアプローチはシンプルですが、課題も存在します。1: 各パーティションを担当するプロセス間でシミュレーション対象の物体 (以降エンティティと呼びます) の情報を共有・同期する仕組みが必要なこと、2: 各パーティションの時刻を同期する仕組みが必要なこと、です。例えば避難経路の計算において近くの人との位置関係を考慮して次の移動方向を決めるとしたら、隣接したパーティションにいる人の位置も知る必要があります。また、各パーティションで時刻ずれが発生してしまうと、シミュレーション全体の結果が破綻してしまうので、パーティション間で足並みをそろえて処理を進める必要があります。単一インスタンス内の複数プロセスにおいてこれらの課題に対処するのも重労働ですが、異なるインスタンス上のプロセスまでスケールアウトする場合、これらの課題は更に複雑になります。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 SDK を提供します。

AWS SimSpace Weaver が提供する機能

1 点目はエンティティの情報の共有の仕組みです。AWS SimSpace Weaver は内部的に EC2 インスタンスを使用しますが、EC2 インスタンス上の複数のプロセス間や EC2 インスタンス間でエンティティ情報を共有するために、独自の共有メモリの仕組みを持っています。これは State Fabric と呼ばれ、各エンティティの座標位置に加え、ユーザーが自由に定義可能な属性情報を保持できます。また、分割された各パーティションにて他のパーティション内のエンティティ情報にアクセスするために、Subscription の仕組みを提供しています。この仕組みにより、隣接したパーティションのエンティティ情報をもとにシミュレーションを実行したり、複数のパーティションにまたがった可視化を行ったり、シミュレーション全体にわたるメトリクスを計算したりできます。

Subscription の仕組みにより隣接したパーティション内のエンティティの情報を取得できる

Subscription の仕組みにより他のパーティション内のエンティティの情報を取得できる

2 点目は時刻同期の仕組みです。AWS SimSpace Weaver には、シミュレーションロジックを実行する各プロセスにおける時刻を制御する Simulation clock の仕組みがあります。Simulation clock で刻まれる時刻単位は tick と呼ばれ、その進むレート (clock rate) は 10 Hz, 15 Hz, 30 Hz, および unlimited (SimSpace Weaver app SDK 1.14.0 以降) から指定できます。Simulation clock により、複数インスタンス間でも単一の時間軸においてシミュレーションを実行できるようになります。
加えてシミュレーションの可視化が必要な場合、クライアントアプリケーションを独自で構築し、AWS SimSpace Weaver で動作しているシミュレーションアプリケーションにネットワーク経由で接続して可視化に必要な情報を得たり、ユーザー操作をシミュレーションに反映させることができます。

AWS SimSpace Weaver のアーキテクチャ

2023 年 10 月時点で AWS SimSpace Weaver が提供しない機能

本記事執筆時点では、AWS SimSpace Weaver が主に提供するのはシミュレーションを実行するインフラストラクチャのスケーリングを助ける機能です。AWS SimSpace Weaver はクライアントアプリケーションの作りやネットワークプロトコルには基本的に関与しないことに注意してください。SimSpace Weaver はクライアントアプリケーションが接続するためのエンドポイントを提供するため、お客様はエンドポイントに接続するアプリケーションやプロトコルを自由にデザイン・実装できます。
ただしスクラッチで実装するのが困難な場合には、SimSpace Weaver app SDK に同梱されている クライアントアプリケーションのサンプルコード、および Demo Framework が利用できます。Demo Framework にはシンプルなネットワークプロトコルのコードが含まれており、お客様の実装のスタートポイントとして活用できます。
SimSpace Weaver app SDK は本記事執筆時点で C++ および Python をサポートしています。また 3D エンジンのサポートとして Unity Plugin/Unreal Engine Plugin も提供しています。ただしこれらは可視化のためのクライアントアプリケーションで利用するものではなく、サーバーサイドアプリケーションにおけるシミュレーションロジックを各エンジンで実装する場合に利用するものであることに注意してください。

AWS SimSpace Weaver を導入するまでのステップ

最も AWS SimSpace Weaver の恩恵を受けられるお客様は、既に空間シミュレーションのワークロードを運用しており、その性能限界に課題を持っているお客様です。上述の AWS SimSpace Weaver の提供する機能を活用して既存のシミュレーションワークロードをスケールアウトし、大規模に拡張できます。もし現在利用しているサードパーティ製のシミュレーション用アプリケーションがあれば、それを AWS SimSpace Weaver 上でスケールさせることが可能かについて是非 AWS へご相談ください。
現在のシミュレーションがスタンドアロンアプリケーションで構築されている場合は、性能限界はそのアプリケーションを動かす端末、多くの場合はユーザーのクライアント PC のスペックの制約を受けます。よりパフォーマンスを高めたい場合、かつパフォーマンスのボトルネックがレンダリングではなくシミュレーションロジックにある場合、最終的には AWS SimSpace Weaver により大規模なシミュレーションへと進化できる可能性があります。ステップとしては、まずスタンドアロンアプリケーション内の処理をシミュレーションロジック部分と可視化部分に分離し、それらの間の情報をネットワーク経由でやり取りするように変更することで、それぞれを独立したアプリケーションとして実行できるようにします。次に、シミュレーションロジック部分のアプリケーションをサーバーサイドで、可視化部分のアプリケーションをクライアントサイドで実行する構成に変更します。結果としてクライアントサーバー構成のシミュレーション環境となります。シミュレーションロジックは独自実装でも構いませんし、3D エンジンを利用して実装する場合は Unreal Engine Dedicated Server 等の機能を利用するのが典型的な方法となります。ネットワークプロトコルについても、TCP や UDP をベースとした独自実装、または websocket や gRPC、MQTT 等の双方向通信が可能なプロトコルなど自由に利用できます。クライアントサーバー構成のシミュレーションはサーバーをスケールアップさせることで一定レベルまでパフォーマンスを高められます。スケールアップでの性能限界を超える必要が生じたら、是非 AWS SimSpace Weaver の導入をご検討ください。
既存のシミュレーションアプリケーションがなくこれから取り組む場合には、まずシミュレーションアプリケーションをクライアントサーバー構成で構築されることをおすすめします。スタンドアロンアプリケーションで可視化部分とシミュレーションロジック部分が密結合なアプリケーションを構築してからそれを分離するよりも、あらかじめ分離された構成で実装する方が容易な傾向があるためです。クライアントサーバー構成のシミュレーションアプリケーションを実装出来たら、先述の流れで最終的に AWS SimSpace Weaver の恩恵を受けることができます。

AWS SimSpace Weaver 導入のステップ

AWS SimSpace Weaver の始め方

本記事にて AWS SimSpace Weaver の特徴をつかんだら、AWS SimSpace Weaver の Product Manager によるサービス紹介動画や、AWS re:Invent 2022 における AWS SimSpace Weaver ローンチ時のセッションを確認ください。AWS SimSpace Weaver の概念の詳細については公式ドキュメントのユーザーガイドを参照ください。また、AWS SimSpace Weaver で動くアプリケーションを手軽に触ってみたい場合、AWS SimSpace Weaver workshop を活用ください。

まとめ

本記事では AWS SimSpace Weaver が提供する機能とマッチするユースケース、および始め方について概念的な内容を中心に紹介しました。これまで技術的制約により一定規模で頭打ちとなっていた空間シミュレーションを大規模に拡張できるのが AWS SimSpace Weaver の最大の特徴です。開発者の皆様がインフラ構築の手間に煩わされることなく、すばらしいシミュレーションを構築されることを楽しみにしています。AWS SimSpace Weaver がマッチするユースケースを持つお客様や、今後そのようなワークロードに取り組む予定のあるお客様は、是非 AWS へご相談ください。

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