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3.将来のスーパーコンピューティング環境への期待と課題

(1)検討概要
 将来(2010年前後を想定)のスーパーコンピューティング環境をテーマに、第2回WG以降WG委員から、スーパーコンピュータユーザの立場、あるいは、共同利用可能なスーパーコンピュータセンターを運用する立場からのプレゼンテーションを受け、それに基づいた討議を行った。





(2)将来の超高速計算機の必要性について
 大学や研究機関においては、ライフサイエンス、原子力、天文、航空・宇宙、ナノサイエンス、地球環境、等あらゆる研究分野において、実効性能がペタフロップス超級の超高速計算機に対する強い要求がある。

 例えば原子力プラントのような巨大システムにおいては、予算や環境等の制約により実験が困難な場合が多く、計算機によるシミュレーションは従来から重要な研究手段として不可欠になっている。特に、核融合、原子炉熱流動、光量子科学、さらに大強度陽子加速器といった最先端科学分野では、計算機を用いた研究は単なる確認・検証の手段を超えて、新たな理論構築の先導を務め、又は計算結果から実験方法を検討するといったように、「理論」及び「実験」と密接不可分な第三の研究手法として不可欠な存在であることから、当面のこれらのニーズを想定しただけでも、ペタフロップス超級の超高速計算機の開発が必須となっている。その他の分野においても、次の項目(3)「将来の研究目標について」に挙げるとおり、ペタフロップス超級の超高速計算機の必要性が明らかとなった。

 民間企業においても、製品設計・開発の短縮や新規市場の創出等の観点からも、実効性能がペタフロップス超級の超高速計算機の必要性がますます高まっている。
 ペタフロップス超級の超高速計算機の実現は、シミュレーションの詳細化・大規模化により、仮説モデル・近似モデルが更に実際の現象に近づくことで、解析精度の向上が期待でき、実験計画法注釈などの多変量解析と組み合わせた最適設計・ロバスト設計(品質のばらつきを最小限にし、安定した生産を実現するための設計)への応用も期待できる。

注釈 実験計画法 :プロセスや製品、サービス、解決策のパフォーマンスを改善し、最適化したい場合に、どのような実験をするのが最も効果的であるかを計画し、また実験によって得られたデータをどのように解析して結果を予測していくかを導き出す手法




(3)将来の研究目標について
 マルチスケール・マルチフィジックスな系全体の最適シミュレーションの実現には、2.(2)で挙げられたような実効性能で1ペタフロップス超の超高速計算機システムが必要とされている。
 マルチスケール・マルチフィジックスな系全体の最適シミュレーションの例としては、薬剤効果に関するDNAから各器官で構成される人体までの一貫した解析や、原子炉材料破壊に関する原子レベルの結合破壊から目に見える破壊まで一貫した解析などが挙げられた。
 このようなマルチスケール・マルチフィジックスなシミュレーションとして、想定し得るイメージ図を例示すると、次ページのものが挙げられる。
 また、各アプリケーション分野で、マルチスケール・マルチフィジックスなシミュレーショを行うことによる効果が以下のように想定される。

ライフサイエンス分野 :医薬品業界の国際競争力の向上、医療ミスの防止等の課題克服
天体分野 :銀河の形成過程、銀河の形態分類の意味を明確にする
宇宙・航空分野 :ロケット、航空機の安全で効率な運行
物質・材料分野 :新産業創成、環境問題解決
原子力分野 :原子炉、核融合発電炉開発の効率化
地球環境分野 :地球温暖化予測
防災分野 :地震災害軽減、溶岩流災害範囲推定

<マルチスケール・マルチフィジックスなシミュレーションの例>

大気・海洋結合シュミレーションの図

ヒューマンシュミレーションの図

溶岩流シュミレーションの図

 以上のことから、2010年前後のスーパーコンピュータシステムの利用に関して、従来の単一スケールのシミュレーションや単一現象のシミュレーションに加え、これらを統合もしくは融合したマルチスケール・マルチフィジックスな系全体のシミュレーションが将来の目標として挙げられた。以下に、各分野の所要性能概算値を示す。

  1)ライフサイエンス分野   1〜100ペタフロップス級
  2)天体分野   500テラフロップス〜10ペタフロップス級
  3)宇宙・航空分野   500〜600テラフロップス級
  4)物質・材料分野   数ペタフロップス〜数10ペタプロップス級
  5)原子力分野   1〜1000ペタフロップス級
  6)地球環境分野   数100テラフロップス級
  7)防災分野   数100テラフロップス〜数ペタフロップス級

 更に、上記性能を満足する最適なハードウェア・アーキテクチャ検討に必要な項目として、定量的な性能評価方式も今後の重要な課題であると指摘された。
 以下に各分野において想定されているアプリケーションの例、及び、その所要性能値についてまとめた。
 なお、アプリケーション分野毎の必要性能条件については、(参考3)に示す。


≪ライフサイエンス分野≫

高精度スクリーニング、巨大生体分子の動作機構解明、タンパク質の立体構造予測【10〜100ペタフロップス級】
   医薬品開発、バイオナノテクノロジー、発病機構解明のために、分子動力学計算に基づくタンパク質と基質の結合自由エネルギー計算(10の4乗10の5乗原子)、分子モーターなどの機構解明(10の6乗10の7乗原子)、タンパク質の立体構造予測等を行う。
 これによって、創薬の効率向上、機能材料開発、遺伝子変化による病気の発病機構解明、テーラーメード医療への応用等でのブレークスルーを実現することで、我が国はこの分野で医薬品業界における世界のリーダーとなり得る。

 
創薬の高精度スクリーニングの図


生体高分子の量子化学計算【1〜100ペタフロップス級】
   生体分子の動作原理解明、生体分子ネットワークの解明、医薬品開発、機能分子開発のために、第一原理分子動力学注釈、QM-MM法注釈などによる酵素反応の解析を目的とする。
 これらにより、新規タンパク質の設計、医薬品開発や機能材料の開発等でのブレークスルーを実現することで、製薬産業、ナノテク等での研究促進が実現する。

 
注釈 第一原理分子動力学 :量子力学に基づく計算を行ない、原子の運動を計算する方法
  QM-MM法 :量子力学と古典力学を必要に応じて組み合わせて原子の運動を計算する手法

 
生体高分子量子化学計算の図


生体力学・生理学シミュレーション【1〜10ペタフロップス級】
   診断・手術計画立案・インフォームドコンセント等のために、人の個体全体の力学的・生理学的シミュレーションの実現が期待される。
 これにより、より高い医療技術の習得が比較的容易に可能になることで、医療ミスの防止、分かりやすい手術の説明(インフォームドコンセント)実施といった医療現場での課題を克服する。

 
生体力学・生理学シュミレーションの図


ヒューマンシミュレーション【1〜100ペタフロップケ級】
   遺伝子/ゲノム(ミクロスケール)〜タンパク/細胞/組織/循環器(メソスケール)〜人体全体(マクロスケール)に至る、全てのふるまいをシミュレーションすることにより、個人に応じたテーラーメード医療を実現する。

ヒューマンシュミレーションの図


≪天体分野≫

銀河形成シミュレーション【10ペタフロップス級】
   宇宙を構成する大規模構造物質の基本単位である銀河がどのように形成されたかを明らかにするために、100億個の粒子を用いた、銀河の現実的な(超新星注釈による加熱、重力崩壊など)成長過程に基づいた形成シミュレーションを行う。
 これにより、銀河の形成過程、銀河の形態分類(ハッブルの音叉系列注釈)の意味を明らかにする。

 
注釈 超新星 :比較的重い星が進化して死を迎える時、大爆発を起こしたもの。小柴博士のノーベル賞受賞は、超新星爆発時のニュートリノ観測が主な理由である。
  ハッブルの音叉系列 :米国の天文学者ハッブルが規定した銀河形態の分類方法

 
銀河系形成シュミレーションの図


惑星形成シミュレーション【10ペタフロップス級】
   地球を含めた太陽系惑星・衛星の起源を明らかにし、その宇宙における発生頻度を評価するために、1000万個の粒子を用いて、原始太陽系円盤の中の微惑星が相互に散乱と衝突・合体を繰り返しながら成長し、現在の姿になるまでをシミュレーションする。
 これにより、人間の居住可能な地球型惑星が太陽系近傍に存在する数を知ることができる。
 さらに、土星の環の起源とそのダイナミクスを明らかにし、カッシーニミッション(NASA(ナサ)が1997年10月に打ち上げた土星探査機カッシーニの土星調査)の観測と比較する。

 
惑星形成シュミレーションの図


≪宇宙・航空分野≫

乱流燃焼シミュレーション【500テラフロップス級】
   物質輸送、燃焼現象の素現象の解明、乱流・燃焼モデルの開発、乱流・燃焼の制御、燃焼器設計のために、低速から高速にいたる乱流、燃焼流のDNS/LES注釈による大規模解析、燃焼器解析、設計適用のための実用解析を行う。
 これにより、マルチスケール・マルチフィジックスなシミュレーション技術、省エネ・ゼロエミッション燃焼システム、高効率輸送システム等を開発し、更に、輸送システムにおける省エネ、環境適合・高効率で環境にやさしい燃焼の実現が可能となる。

 
注釈 DNS :基礎方程式をモデル化しないで直接、流れをシミュレーションする数値解法
  LES :格子サイズ以下の渦の効果だけをモデル化し、他はモデルを使わずに流れを計算する数値解法

 
乱流燃焼シュミレーションの図


飛行安全環境シミュレーション【500テラフロップス級】
   晴天乱気流・ダウンバースト・ウィンドシア注釈の検知と回避、ウェークタービュレンス注釈評価のために、気象を考慮した大気中を飛行する航空機モデルに対するLES/URANS注釈解析を行う。
 これにより、安全性・快適性の向上、気象・大気の悪条件に強い飛行機の開発、ローカル気象予報等を行い、航空輸送の高信頼化、ローカル気象予測による災害・防災対策を実現する。

 
注釈 ダウンバースト・ウィンドシア :空港周辺で起きる局地的な下降気流や強い風
  ウェークタービュレンス :航空機の後方に生ずる強い渦による乱気流(航跡乱気流とも呼ばれる)
  LES/URANS :高精度な非定常流体シミュレーション

 
飛行安全環境シュミレーションの図


リアルタイム安全運航システム【600テラフロップス級】
   運航における快適性、安全性の向上のために、観測データに基づくシミュレーションによりリアルタイムに事象を予測する。これにより、安全性、快適性の向上、気象・大気の悪条件に強い飛行機を実現する。

 
リアルタイム安全運航システムの図


≪物質・材料分野≫

触媒設計シミュレーション【数10ペタフロップス級】
   環境問題等を解決するために、配位子、遷移金属の様々な組み合わせの中から活性の高い触媒を探索する際に、密度汎関数法に基づいたナノスケールの触媒(数万原子系)の構造とその触媒反応の活性化エネルギー等を計算することで、新産業創成、環境問題の解決等の波及効果がある。

 
触媒設計シュミレーションの図


光励起反応シミュレーション【数ペタフロップス級】

   光励起反応のフェムト注釈秒スケールでのメカニズム解明のために、時間依存密度汎関数法に基づき、光励起状態における電子・原子のダイナミクスをシミュレートする。
 これにより、光スイッチなどの光デバイスの高性能化に向けた理論の提供が可能となり、ピコ注釈秒〜フェムト秒スケールで動作する超高速デバイスが実現できる。

 
注釈 ピコ :1兆分の1
  フェムト :千兆分の1

 
光励起反応シュミレーションの図


強相関電子系バーチャル物質設計シミュレーション【数ペタフロップス級】

   実験不要な計算機内でのパラメータ無しの完全自動物質設計シミュレーション実現のために、局所密度近似を超える電子相関を取り入れた第一原理電子状態計算を用いた、100程度の原子数の計算を行う。
 これにより、全く新しい強相関電子デバイス設計が可能となり、新しい概念のデバイスの創成が可能となる。

 
強相関電子系バーチャル物質設計の図


≪原子力分野≫

熱流動直接解析【1〜1000ペタフロップス級】
   次世代稠密炉心原子炉の設計のために、原子炉内の気液二相流挙動の詳細な予測を行う。
 これにより、実験結果に基づく経験式等を必要としない設計手法を確立させ、より安全かつ安心で高効率な原子炉を設計する。

 
熱流動直接解析の図


核融合プラズマ注釈の微視的乱流シミュレーション【1〜100ペタフロップス級】
   プラズマの磁場による閉じ込め性能の向上のために、プラズマを構成するイオンと電子の微視的乱流を捕らえるための解析を行う。
 これにより、プラズマの効率的な閉じ込め制御技術を確立させ、核融合発電炉開発の効率化を実現する。

 
注釈 プラズマ :超高温状態などの場合に原子核の周りを回っている電子が剥ぎ取られ、負電荷をもつ電子と正電荷をもつ残されたイオンが自由に運動しながら混在して全体として電気的中性になっている物質の状態

 
核融合プラズマの微視的乱流シュミレーションの図


高強度レーザーと物質の相互作用シミュレーション【0.1〜1ペタフロップス級】
   超強電磁場中の複雑現象、高エネルギー密度物理過程を解明するために、高強度レーザーの照射によるX線と高エネルギー粒子の発生過程の解析を行う。
 これにより、実験はもとより、医療、分析、生産などの放射線応用分野における品質のよいビーム発生制御が可能になる。

 
高強度レーザーと物質の相互作用の図


≪地球環境分野≫

大気・海洋結合シミュレーション【数100テラフロップス級】
   数年から数百年にわたる気候変動を詳細に解明するために、植生、化学物質、都市部の熱放射など複数の効果を取り入れた、高解像度の大気・海洋結合の大循環シミュレーションを実現する。
 これにより、シナリオに基づく温暖化物質の増減などではなく、その時の地球環境から直接フィードバックされた温暖化予測を行い、温暖化防止に関する、国際的合意形成に資する。

 
大気・海洋結合シュミレーションの図


非静力・大気海洋陸面雲物理結合を考慮した全球−領域−局所連結階層シミュレーション【数100テラフロップス級】
   数日から数年での気象変化(冷夏、猛暑、長雨、台風、集中豪雨等)を予測し、また、都市が放射する熱による局所的温暖化を予測するために、全球シミュレーションを行いながら、その結果を境界条件として、同時並行的に日本領域、更には、都市領域を解く。
 これにより、台風の進路予測、集中豪雨など生活に密着した正確な気象予測や、ヒートアイランド現象などを考慮した都市設計が可能になることで、風水害等による災害の軽減、及び、都市環境の改善など、直接的に市民生活へ貢献する。

 
全球-領域-局所連結階層シュミレーションの図


≪防災分野≫

数値震動台【数ペタフロップス級】
   より精確な耐震シミュレーションパラメータの算出のために、実大3次元震動破壊実験での加震時の計測結果を元に材料、構造、耐久性を考慮したシミュレーションを行う。
 これにより、実大3次元構造物の損傷・破壊過程が解明され、実大3次元実験破壊施設では実験困難な大きな規模の構造物の損傷・破壊の評価を行うことができる。

 
数値振動台の図


地震波伝播シミュレーション【数100テラフロップス級】
   地震動予測地図の作成・高精度な強震動評価のために、地下構造・断層モデルを考慮した3次元差分法注釈(FDM)による地震波伝播のシミュレーションを行う。
 これにより、詳細な地下構造を考慮に入れた地震波伝播による高精度地震ハザード評価が可能となり、地震災害を軽減することができる。

 
注釈 差分法 :物理量の微分を差分式で近似する計算方法

 
地震波伝播シュミレーションの図


溶岩流シミュレーション【数100テラフロップス級】
   溶岩流防災(到達範囲・時間予測・危険域選定)のために、温度を考慮した溶融凝固連成解析を行う。
 これにより、迅速な溶岩流の災害範囲(危険域)推定が可能となり、地表における溶岩流伝播に伴う住民避難路の確保が可能となる。

 
溶岩流シュミレーションの図




(4)将来の超高速計算機システムの開発について

 ペタフロップス超級の超高速計算機、特に、ベクトル型、スカラ型計算機のような汎用性のある超高速計算機の開発には、CPUの高速化、低消費電力化をはじめとするブレークスルーを実現するハードウェア要素技術の研究開発が必要不可欠である。

 既存技術の延長では物理的な「高速化の壁」につきあたることから、これを突破するための喫緊の課題として、CPUの高速化、CPU−メモリ間伝送速度の高速化、ノード間伝送速度の高速化、低消費電力化・冷却技術の向上等のハードウェア要素技術について、ブレークスルーを実現するための研究開発が必要である。

 一方、分子動力学、格子ガス法注釈等、特定の分野/計算手法に特化した専用計算機の開発が半導体集積度や発熱の問題を緩和する可能性があるため、有望ではある。但し、他方で専用計算機に適用できないプログラムも多く存在することから、汎用性のある計算機と専用計算機の組み合わせも検討すべきである。

注釈 格子ガス法 :空間を離散化した格子上に多数の粒子を配置し、それらの粒子の格子点間の移動と格子点上での衝突によって、流体現象を表す方法

 また、計算機アーキテクチャに関しては、ターゲットとするアプリケーションを見極めた上で、これに適したアーキテクチャを検討する必要がある。ベクトル型計算機、スカラ型計算機、専用計算機等は、それぞれ得意とする計算分野を持ち、いずれのアーキテクチャも超高性能化が求められている。

 更に、マルチスケール・マルチフィジックスな系全体の最適シミュレーションを実現するために、これら異なる複数の計算機アーキテクチャ(ベクトル型計算機、スカラ型計算機、専用計算機 等)を複合したシステムの開発も検討すべきである。

 以上のような超高速計算機のハードウェア開発だけでなく、これまでのスーパーコンピュータシステム構築の経験から指摘されたものとして、超高速計算機を効率的に利用・運用するためのソフトウェア開発(OS, コンパイラ、ライブラリ、開発環境、並列アルゴリズム等)、システム開発(システム設計、プログラミングモデル)、信頼性、セキュリティ、性能評価法(ベンチマーク)なども課題として挙げられた。

 加えて、データベース化された実験データと超高速計算機の膨大な計算結果データを、知的資産として容易に再利用できる研究環境を構築することと、これらからデータマイニング注釈によって新たな知見を蓄積することも必要である。更に、超高速計算機利用技術を持った人材(並列プログラム開発者、次世代HPCシステムに精通した開発支援者など)を育成することが必要である。

注釈 データマイニング :種々の統計解析手法を用いて大量のデータを分析し、隠れた関係性や意味を見つけ出す知識発見の手法の総称




(5)将来のスーパーコンピュータ共同利用のあり方について

 スーパーコンピュータのように巨大な設備を共同利用することは、費用的に大きな負担となる資源の効率的運用という観点で、大きな意義がある。

共同利用可能な計算機センターの必要性について
   単独の研究機関や企業では、幅広い計算ニーズに対応する世界最高性能の計算機システムを導入・維持することは、設置スペースや費用等の問題で困難である。従って、外部からの共同利用が可能な超高速計算機センターが設置されることへの要望が強い。
 このようなニーズにこたえるため、既設の共同利用計算機センター(例えば、7大学に設置された大型計算機センター)を含め、これからも超高速計算機センターについては、より一層の機能の充実をはかり、将来とも十分に役割を果たすべきである。

利用者側からの要望について
   大学や独立行政法人研究機関など、外部利用者からは、遠隔地からのネットワーク利用が可能な環境の実現への要望が強い。
 民間企業からの利用に関しては、市販アプリケーションの使用や機密保持などのセキュリティへの要望が強い。
 また、利用手続きの簡素化、共同利用メニューの多様化、プログラム最適化や利用に関して、広報誌、研究会、ネットワークを通した情報共有・情報公開・教育の推進などの要望が挙げられた。

運用上の課題
   共同利用可能なスーパーコンピュータセンターを運用する立場からは、以下のような運用上の課題が挙げられた。
 
保守費、電気料金、ユーザ支援などの運用・維持コストの増加。
多数のユーザが使用することによる計算機リソース不足、運用の複雑化。
大量の計算結果を保存するための、データ保存容量の不足。
 


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