令和6年度 秋期 応用情報技術者試験 午後問題 問4 CPU/GPUの特性と処理配置の設計

コンピュータ内部での数値計算は、大きく整数演算と浮動小数点演算に分かれます。問題では「整数演算」に該当するものを選択します。

• 整数演算：小数点を持たない数値（正、負、ゼロ）同士の演算。
• 浮動小数点演算：小数点を持つ数値を含む演算。

各選択肢の解説

• ア（正解）：300, 200, 100はすべて整数であり、整数演算に該当します。
• イ（正解）：300, 200, 100はすべて整数であり、整数演算に該当します。
• ウ（誤り）：3.00, 2.00, 0.10のように小数点が明記されているため、浮動小数点演算として処理されます。
• エ（正解）：負の値であっても整数であれば整数演算となります。
• オ（正解）：0を用いた乗算も、オペランドが整数であるため整数演算です。
• カ（誤り）：3.00という浮動小数点数が含まれているため、浮動小数点演算となります。

データの処理や伝送にかかる時間は、対象となるデータ量と、各ハードウェア（メモリやストレージなど）の実効速度から算出します。

本文中の仕様（読込速度や書込速度）に基づき、必要なデータ転送時間や処理時間を理論計算します。指定されたデータ量を実効速度で割ることで時間が求められます。

計算結果として小数が発生する場合、設問の指示に従い小数第2位を四捨五入して小数第1位まで求めます。オーバヘッドは無視できる前提であるため、純粋な計算式によって導出された「1.6」が正答となります。

システム構成の最適配置を検討する上で、各機能が処理に要する時間を算出することは非常に重要です。

サーバ構成や表の記述に従い、処理対象のデータ量とハードウェア性能（CPUの処理速度など）を用いて計算を行います。並列処理のオーバヘッドなどが無視できる条件となっているため、理論上の処理量から所要時間を割り出します。正確に本文中の数値を取り出して算出すると、解答は「50」となります。

ハードウェアリソースを専用の計算資源（GPUなど）にオフロードした場合などの処理時間を評価する設問です。

高速化を目的としたアクセラレータなどの利用では、CPUと比較して劇的な性能向上が見込めます。本文中の仕様とデータ量に基づき計算を行うと、CPU処理時と異なる所要時間が導出されます。与えられたパラメータに基づく計算結果から、正解は「10」となります。

ネットワーク伝送やストレージ間のデータ移動など、処理工程の別のボトルネック要素を算出します。

計算資源単体の処理時間が速くても、データの移動に時間がかかってはシステム全体の最適化は図れません。本文に記載されたデータ転送量と実効帯域幅をベースに計算することで、データの読み書きや伝送に要する所要時間が算出されます。計算結果は「4」となります。

一連の処理全体を通したトータルの所要時間や、特定の最適化後の所要時間を求める設問です。

前段で求めた各処理の所要時間を合計、あるいは比較し、最終的な全体の時間を求めます。設問の指示通り、計算結果に小数が発生した場合は小数第2位を四捨五入して小数第1位まで求めます。各ステップの数値を正確に導き出していれば、「0.8」という結果を得ることができます。

ネットワーク経由でデータを送信する場合、通信量をいかに抑えるかが性能改善の鍵となります。DBサーバからAPサーバにデータを送る構成を考える際、未処理のデータ（インプットデータ）と、処理結果（アウトプットデータ）のデータ量を比較することが重要です。

本設問の業務処理では、インプットデータ量よりもアウトプットデータ量が少ないという特性があります。そのため、APサーバに大量のインプットデータを転送してから処理するのではなく、DBサーバ側で処理を行い、小さくなったアウトプットデータのみをAPサーバに送信する方がネットワークの負荷が軽減され、最適配置となります。

高得点のポイント

• インプットデータとアウトプットデータのそれぞれのデータ量を比較していること。
• アウトプットデータよりもインプットデータの量が多い（またはアウトプットデータの方が少ない）という関係性が明確に示されていること。
• 指定された字数（35字以内）に収めつつ、論理的な理由として過不足なく成立していること。

システムの性能低下を招く要因の一つとして、同一データへの度重なるアクセスによるネットワークやストレージのオーバヘッドがあります。

毎回ファイルサーバなどの遠隔地から素材データを取得するのではなく、処理を行うAPサーバ自身の高速なストレージ（SSDなど）にデータを一時的に保持（キャッシュ）することで、素材送信処理にかかる時間を大幅に短縮できます。

高得点のポイント

• 素材データを対象としていることが明記されていること。
• キャッシュの配置先としてAPサーバのSSDに言及していること。
• キャッシュするという処理方式の変更内容を端的に表現していること。

システムの拡張方式には、主にスケールアウトとスケールアップがあります。オンラインユーザ数増大への対応方針として、それぞれの特徴を理解して適切な方式を選択する必要があります。

• スケールアウト：サーバの台数を増やすことでシステム全体の処理能力を向上させる方式。WebサーバやAPサーバなど、並列処理がしやすく状態を持たない（ステートレスな）サーバに適しています。
• スケールアップ：サーバ単体の性能（CPUやメモリなど）を向上させる方式。データの整合性が重要で、分散処理が難しいDBサーバなどに適しています。

本設問では、拡張性を持たせるためにサーバの台数を増やすアプローチが問われているため、スケールアウトが適切です。

各選択肢の解説

• ア（正解）：サーバの台数を増やして負荷を分散させるアプローチであり、適切です。
• イ（誤り）：サーバ単体の性能を上げるアプローチであり、台数を増やす文脈には合致しません。
• ウ（誤り）：スケールインはサーバの台数を減らすアプローチであり、需要縮小時に用いられます。
• エ（誤り）：スケールダウンはサーバ単体の性能を下げるアプローチであり、不適切です。

前問に引き続き、システムの拡張方式に関する問題です。

複数台のサーバによる並列分散処理が難しいコンポーネント（リレーショナルデータベースなど）においては、サーバの台数を増やすスケールアウトでは対応しきれない場合があります。このような場合、サーバ単体のハードウェアスペック（CPUコア数やメモリ容量、ディスクI/O性能など）を引き上げることで処理能力を向上させるスケールアップが採用されます。

各選択肢の解説

• ア（誤り）：スケールアウトは台数を増やす方式であり、この空欄の文脈には適しません。
• イ（正解）：サーバ単体の性能を上げるアプローチであるスケールアップが適切です。
• ウ（誤り）：スケールインはサーバの台数を減らす方式です。
• エ（誤り）：スケールダウンはサーバ単体の性能を下げる方式です。

システムの拡張性や性能を検討する際は、業務内容に着目してデータの特性を把握することが不可欠です。

オンラインユーザ数取得処理のようなリアルタイム性の高い処理では、データが頻繁に更新・追加されます。一方、多次元分析処理（OLAPなど）では、一定期間蓄積された実績データを多角的に集計・分析します。そのため、分析対象となるデータは既に確定した過去のデータであり、処理の途中で追加や更新が行われないという特徴があります。この静的な特性により、データの複製や分散処理が容易になります。

高得点のポイント

• 分析対象が過去のデータであることに言及できていること。
• データが動的に変動しない（追加・更新がない）という静的な特徴を過不足なく表現していること。