NUMA（NUMA: ヌーマ）

2025年10月23日

NUMA（NUMA: ヌーマ）

英語表記: NUMA (Non-Uniform Memory Access)

概要

NUMA（Non-Uniform Memory Access）は、大規模なマルチコア構成において、複数のCPUグループがそれぞれ専用のローカルメモリを持つように設計されたメモリ・アーキテクチャです。従来の均一なメモリアクセス方式（UMA）が抱えるメモリ帯域幅のボトルネックを解消し、システムのスケーラビリティを大幅に向上させることを目的としています。この方式の最大の特徴は、CPUが自身のグループ（ノード）内のメモリにアクセスする速度と、他のグループのメモリにアクセスする速度が異なる（非均一である）点にあります。

この概念は、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）の中でも、特に「マルチコア構成」の性能を最大限に引き出すための重要な要素として位置づけられます。コア数が爆発的に増えた現代のサーバー環境では、NUMAの理解は高性能コンピューティングの基礎知識と言えるでしょう。

詳細解説

NUMAアーキテクチャがなぜ必要とされたのか、それは「マルチコアと SMT」を経てコア数が急増した現代の「マルチコア構成」の課題に直結しています。

UMAの限界とNUMAの目的

コア数が少ない時代は、すべてのCPUコアが単一の共有メモリに同じ速度でアクセスできるUMA (Uniform Memory Access) 方式が主流でした。しかし、高性能なCPUが多数搭載されるようになると、すべてのコアが同時にメモリにアクセスしようとするため、メモリバスやメモリコントローラがボトルネックとなり、処理能力の向上に見合うだけの性能が得られなくなってしまいました。せっかくCPUの処理能力が高まっても、データを取りに行く部分で渋滞が発生してしまうのです。

NUMAは、この共有メモリのボトルネックを克服するために開発されました。NUMAの目的は、メモリへのアクセス経路を分散させることで、システム全体のメモリ帯域幅をスケールさせることにあります。

NUMAの仕組みと主要コンポーネント

NUMA環境では、システム全体が複数の「ノード」に分割されます。

ノード（Node）: NUMAの基本単位です。各ノードは、1つまたは複数のCPUソケット（プロセッサ）と、それに物理的に接続された専用のローカルメモリ（Local Memory）で構成されます。
インターコネクト（Interconnect）: 異なるノード間を結びつける高速な接続経路です。Intel QuickPath Interconnect (QPI) や AMD Infinity Fabric のような技術がこれにあたります。

CPUがデータにアクセスする場合、まず自身のノード内のローカルメモリを探します。ローカルメモリにデータがあれば、CPUは非常に高速にアクセスできます。しかし、必要なデータが他のノードのメモリ（リモートメモリ）にある場合、CPUはインターコネクトを経由してそのノードにアクセスしなければなりません。このリモートアクセスには、ローカルアクセスよりも大きな遅延（レイテンシ）が発生します。

非均一性の管理

この「ローカルは速い、リモートは遅い」という速度差こそが、Non-Uniform（非均一）と呼ばれる所以です。

重要なのは、OSやハイパーバイザ（仮想化ソフトウェア）、そして場合によってはアプリケーション自身が、このNUMA構成を意識して動作する必要がある点です。例えば、特定のタスクを実行するCPUコアに、そのタスクが必要とするデータを意図的にローカルメモリに配置する（NUMAアウェアネス）ことで、リモートアクセスを最小限に抑え、高い性能を引き出すことができます。

このようにNUMAは、CPUの仕組み、特にマルチコア構成の物理的な制約を技術的に乗り越え、サーバーシステムを巨大化させるための現代的な解決策として機能しています。

（現在約1,400文字）

具体例・活用シーン

NUMAアーキテクチャは、主に高い並列処理能力と大容量メモリを要求されるエンタープライズ環境で活用されています。

活用シーンの例

大規模データベースシステム: 非常に大きなメモリ空間を持ち、多数のトランザクションを並列処理するデータベースサーバーでは、データが特定のノードのローカルメモリに配置されるように構成することで、クエリ応答時間を大幅に短縮できます。
仮想化環境（ハイパーバイザ）: VMware ESXiやMicrosoft Hyper-Vなどのハイパーバイザは、仮想マシン（VM）が使用するメモリを、VMが稼働しているCPUコアと同じノードのローカルメモリに割り当てるようにスケジューリングを行います。これにより、多数のVMが同時に動作しても、メモリアクセスの効率が保たれます。

初心者向けのアナロジー：会社の部署と専用ロッカー

NUMAの仕組みを理解するために、「会社の部署と専用ロッカー」の比喩を考えてみましょう。

あなたの会社（サーバー全体）が非常に大きくなり、社員（CPUコア）が何百人もいるとします。

UMA方式の会社：
会社全体で一つの巨大な共有ロッカー室（共有メモリ）があります。全社員がここに自分の書類を取りに来ます。最初は問題ありませんが、社員が増えるにつれて、ロッカー室の前は大混雑（メモリバスのボトルネック）し、自分の書類を取り出すのに時間がかかるようになってしまいます。

NUMA方式の会社：
会社がいくつかの大きな部署（ノード）に分かれます。各部署には、その部署の社員専用のロッカー室（ローカルメモリ）が設置されています。

ローカルアクセス: あなたが自分の部署のロッカー（ローカルメモリ）から書類を取り出すのは、非常に簡単で高速です。これは、CPUが自身のノード内のメモリにアクセスするのと同じです。
リモートアクセス: しかし、あなたが隣の部署のロッカー（リモートメモリ）にある書類が必要になった場合、あなたは隣の部署まで移動し、許可を得て書類を探す必要があります。これは時間がかかります（遅延が発生します）。

この仕組みのおかげで、社員たちはほとんどの作業を自分の部署内で完結させることができ、全社的なロッカー室の渋滞を避けることができます。つまり、大規模な組織（マルチコア構成）であっても、個々の作業効率を高く維持できるのです。この効率的なデータ配置とアクセス分散こそが、現代のマルチコア環境においてNUMAが非常に重要視される理由なのです。

（現在約2,300文字）

資格試験向けチェックポイント

NUMAは、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の計算機アーキテクチャ分野で、マルチプロセッサシステムの構成要素として出題される可能性があります。特に、大規模システムの性能向上策に関する問題で狙われやすいテーマです。

典型的な出題パターン:

UMAとの比較: 「すべてのプロセッサが共有メモリに均一にアクセスできる方式はどれか？」(UMA)、「アクセス速度がプロセッサとメモリの物理的な位置関係によって異なる方式はどれか？」(NUMA)。
NUMAのメリット: 大規模システムにおけるスケーラビリティの向上や、メモリバスのボトルネック解消を目的としている点を選ばせる問題。
非均一性の意味: ローカルアクセスとリモートアクセスの速度差が、NUMAの性能に影響を与えるという点を理解しているか問われます。