NUMA（ヌマ）

2025年10月26日

NUMA（ヌマ）

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

概要

NUMA（Non-Uniform Memory Access、非均一メモリアクセス）とは、複数のCPU（プロセッサ）を搭載した大規模なマルチプロセッサシステムにおいて、CPUとメモリの配置を最適化し、システム全体の性能と拡張性を向上させるためのアーキテクチャです。従来のシステムが抱えていた、すべてのCPUが共有メモリに均一な速度でアクセスする際のボトルネックを解消することを主な目的としています。この技術は、メモリ拡張と帯域技術の文脈において、大規模環境でのメモリ帯域の飽和を防ぐための極めて重要な解決策として機能しています。

詳細解説

NUMAアーキテクチャは、大規模な並列処理環境、特にデータセンターやHPC（ハイパフォーマンスコンピューティング）分野で不可欠な技術となっています。この技術がメモリ階層の中で特に重要視されるのは、CPUコア数が増大し、従来のDRAMへのアクセス要求が集中することで、メモリアクセスの待ち時間（レイテンシ）が増加する問題を根本的に解決するからです。

目的と仕組み

従来のマルチプロセッサシステムはUMA（Uniform Memory Access、均一メモリアクセス）を採用していました。UMAでは、すべてのCPUから共有メモリへのアクセス時間が常に一定でした。しかし、高性能なCPUや多数のコアが登場すると、共有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、CPUが待機する時間が増えてしまうのです。

NUMAは、この問題を解決するために、システム全体を複数の「ノード」に分割します。

ノードの構成: 各ノードは、1つまたは複数のCPU（またはソケット）と、それに物理的に近い位置に配置されたローカルメモリ（DRAM）で構成されます。
ローカルアクセス: 特定のCPUが自分のノードに接続されているローカルメモリにアクセスする場合、非常に高速に処理が完了します。これは、マルチチャネル構成によってノード内のメモリ帯域が最大限に活用されているためです。
リモートアクセス: あるCPUが、他のノードに接続されているメモリ（リモートメモリ）にアクセスする場合、ノード間を接続する専用のインターコネクト（IntelのUltra Path Interconnect (UPI) やAMDのInfinity Fabricなど）を経由する必要があります。このリモートアクセスは、ローカルアクセスよりも時間がかかります。

この「アクセス時間が均一ではない（Non-Uniform）」という特性こそが、NUMAの名前の由来であり、性能向上の鍵となります。OSやアプリケーションは、できる限り必要なデータをCPUと同じノードのローカルメモリに配置するようスケジューリングすることで、全体の処理効率を高めるのです。

メモリ拡張と帯域技術における位置づけ

私たちがこの技術をメモリ拡張と帯域技術のカテゴリで学ぶ理由は、NUMAが単にメモリ容量を増やすだけでなく、メモリ帯域幅を「実質的に」拡張している点にあります。

従来のUMAシステムでは、メモリ帯域はすべてのCPUで共有される単一のパイプラインのようなものでした。これに対し、NUMAは複数の独立したメモリパイプライン（ノード）を並列に動作させます。これにより、大規模システムになっても、各CPUが高速なローカルアクセスを享受できるため、システム全体としてのメモリ帯域の総和（アグリゲート帯域）が飛躍的に向上するのです。これは、マルチチャネル構成が単一のCPUとメモリ間の帯域を広げる技術であるのに対し、NUMAは複数のCPUとメモリの組（ノード）を管理し、システム全体にわたるスケーラビリティを提供する技術である、と理解すると非常に分かりやすいかと思います。

具体例・活用シーン

NUMAの概念は、少し抽象的に聞こえるかもしれませんが、身近なオフィスや大規模な図書館を想像すると、その必要性がよく理解できます。

図書館の比喩（非均一性の理解）

想像してみてください。あなたは巨大な研究図書館の職員（CPU）です。

この図書館は複数のフロア（ノード）に分かれており、各フロアには専用の資料室（ローカルメモリ）が併設されています。あなたが自分のフロアの資料室にある本（ローカルメモリのデータ）を探す場合、数秒で手に入れることができます。これは非常に高速なローカルアクセスです。

しかし、あなたが他のフロアの資料室にある本（リモートメモリのデータ）が必要になった場合、エレベーターや階段（インターコネクト）を使って移動し、探す必要があります。当然、自分のフロアで探すよりも時間がかかります。これが「非均一なアクセス時間」です。

図書館（システム）の運営者（OS）は、あなたが担当する研究テーマに関する本を、できる限りあなたのフロアの資料室に配置するように工夫します。これにより、職員（CPU）は移動時間を最小限に抑え、効率よく研究（処理）を進めることができるのです。もし、すべての本が中央の巨大な倉庫（UMAの共有メモリ）に置かれていたら、職員が増えるたびにエレベーター前が大渋滞（ボトルネック）を起こしてしまうでしょう。NUMAは、この渋滞を回避するための賢い分散戦略なのです。

活用シーン

大規模データベースサーバー: 多数のトランザクションを並列処理するデータベースでは、CPUコア数とメモリ容量が非常に重要です。NUMA構成により、各データベースプロセスを特定のノードに割り当てることで、キャッシュヒット率を高め、I/O処理の遅延を最小限に抑えます。
仮想化環境: VMware ESXiやHyper-Vなどの仮想化ソフトウェアは、仮想マシン（VM）がNUMAノードを意識して動作するように最適化されています。これにより、VMが必要とする大量のメモリを、ホストCPUのローカルノードから提供することが可能となり、仮想化による性能オーバーヘッドを低減します。

資格試験向けチェックポイント

IT資格試験においてNUMAは、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験で、システムの高性能化やメモリ管理のトピックとして出題される可能性があります。

UMAとの違い: NUMAの最大の特徴は、メモリアクセス時間が「非均一（Non-Uniform）」である点です。UMA（Uniform Memory Access）との対比で問われるパターンが非常に多いです。アクセス時間が異なる理由（ローカルかリモートか）を明確に理解しておく必要があります。
目的: 大規模マルチプロセッサシステムにおけるメモリ帯域のボトルネック解消と拡張性の向上が主目的であることを覚えておきましょう。
構成要素: ノード、ローカルメモリ、リモートメモリといった用語がどのように機能するかを把握することが重要です。
メモリ階層との関連: NUMAは、DRAMレベルでのアクセス効率を最適化する技術であり、キャッシュコヒーレンシ（複数のCPUが持つキャッシュの内容を一致させる仕組み）の維持が複雑になる点も、応用情報技術者試験レベルでは問われる可能性があります。
キーワード: 「スケーラビリティ」「低レイテンシ（ローカルアクセス時）」「マルチコア環境」「インターコネクト」といった用語が選択肢に含まれていたら、NUMA関連の問題だと推測できます。

この技術は、メモリ拡張と帯域技術の中でも特にサーバーグレードの性能向上に直結するため、メモリ容量だけでなく、そのアクセス構造が性能に与える影響について深く問われる傾向があります。