次世代スパコンシンポジウム２００８
分科会D 「計算科学者、計算機科学者、実験研究者および産業の接点と人材育成」

分子科学研究所 平田文男

「ナノ統合拠点」のミッション
次世代スパコンの性能を最大限に活かしてナノ分野の「グランドチャレンジ課題」を解決する方法論およびアプリケーションの開発
ナノ分野のグランドチャレンジ課題（１）次世代ナノ情報機能・材料（２）次世代ナノ生体物質（３）次世代エネルギー
上記のミッションの遂行を通じて「計算科学者、計算機科学者、実験研究者および産業の接点と人材育成」を進める。

「ナノ統合拠点」における「計算科学者、計算機科学者、実験研究者および産業の接点と人材育成」の取り組み（１）分子科学、物性科学ワーキンググループ
計算科学者、実験研究者との連携、共同研究の推進
特に、ナノ分野の実験研究者との連携（２）プログラム高度化ワーキンググループ
計算機科学者（理研、筑波）と連携して、超並列に対応するプログラムの高度化を推進（３）ナノ設計実証
企業研究者との連携推進（４）次世代ナノアプリケーション連携ツールの開発「中核アプリ」を任意に連結してナノ分野のグランドチャレンジ課題を解決するツール群の開発（５）「次世代スパコン」の有効利用に向けての取り組み
神戸センターを有効に活用するシステムの提案および人材育成これまでの取り組みにおける成果（例）（１）分子科学、物性科学ワーキンググループ
セルロース分解酵素反応の実験研究者（三重大学）との共同で反応中間体（セルロースー酵素錯体内の水分子の位置）を同定することに成功

反応中間体である水分子の位置を実験的に決定することは困難であり、酵素反応設計において計算科学が有効であることを証明。

Cellulose decomposition
reaction（hydrolysis）

Position of water at in the reaction pocket iscrucial. (It can not be seen by X-ray.)“Water is one of the substrates.”
Models proposed by X-ray
立体保持
A

A
H

OO
O

HOR

R
B

B

AA
H

H

OO
O

OH

5.5Å

HB

B

立体反転AA

H

OOO

HHOR

R

10.0Å
OHO

Cellulase：GH44HBH
B

Cel44A catalytic module of CelJ (Cel9D-Cel44A)
from Clostridium thermocellum
提供 (三重大学：苅田修一准教授)

Water molecules in the protein-cellulose complex detectedby the 3D-RISM method

AHOO

Blow up theReaction siteHRO
H

B

The results from 3DRISM
blue ribbon: protein
red spheres: water molecules(the reacting water molecule
is surounded by yellow dots.)

The water molecule can not beDetected by X-ray, because it
Disappears due to the reaction.
So, this corresponds toan intermediate state of the chemicalReaction.

（３）ナノ設計実証NAREGIプロジェクトにおいて実施された企業研究者による「RISM勉強会」の成果として、企業研究者によって溶液内分子の電子状態に関わる研究が実施され、いくつかの学術的に重要な成果が生まれた。（現在、論文作成中）
このことは、一定の教育（育成）期間を設ければ、企業内研究者による「ナノ統合シミュレーション」ソフトの利用が可能であることを示唆している。

（２）プログラム高度化ワーキンググループ
筑波大学（計算センター）、理研、計算機メーカーとの共同により、従来不可能だと看做されていた3D-RISMプログラムの高並列化に見通しが出て来た。特に、このプロセスで筑波大学の計算機科学者（情報科学者）の専門性が重要な役割を果たした。他のプログラム高度化の教訓になり得る。

重要なポイント：
筑波大学の計算機科学者が3D-RISMプログラムの高並列化を自らの研究テーマとして取り組んでいること。

ナノ分野グランドチャレンジ課題
次世代ナノ情報機能・材料連携ツール
GIANT, IGNITION

次世代ナノ生体物質

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェア（最終年度版）
・ナノ分野グランドチャレンジをカバー
・ナノ分野計算科学の学術基盤の形成

付加機能ソフト
オーダーＮ密度汎関数計算法
静電場下での電子状態、エネルギー・応力密度、誘電率の一次元分布の計算

混合基底軌道
第一原理計算マルチカノニカル法
量子モンテカルロ法

合金内部組織電子格子系時間発展計算
マルチスケールシミュレータ
ナノスケール系量子伝導計算

時間依存密度汎関数法

実空間
第一原理
ナノ物質
シミュレータ次世代エネルギー

実空間 Keldysh
グリーン関数計算
変分モンテカルロ法

動的密度行列繰り込み群法

中核アプリケーション

・電子・原子・分子から出発した最先端の理論・方法論
・高度並列化アルゴリズム、ソフトウェア
・任意のソフトの任意な結合・連成

リカーシーブグリーン関数法

有向ループアルゴリズム

有限要素法

フラグメント分子軌道法

動的平均場法レプリカ交換法

正準変換理論

表面弾性格子グリーン関数法

高精度高速
自由エネルギー計算

界面和周波発生分光スペクトル計算

電子スピン共鳴解析ソフト

二次のMøller-Plesset
摂動法

Surface-Hopping法

配置間相互作用法

金属錯体の有効ポテンシャル計算

ＫＫＲグリーン関数法
厳密対角化法

大規模並列
量子モンテカルロ法

高並列汎用
分子動力学シミュレーション
ソフト

RISM/
3D-RISM

溶媒和自由エネルギー計算

高速
量子化学
計算ソフト

方法論開発・超並列化によりペタフロップス級性能を実現

連携ツール（ＩＧＮＩＴＩＯＮとＧＩＡＮＴ）
ＩＧＮＩＴＩＯＮ

中核アプリ等の初期入力データの生成

入出力、実行の利便性の確保
計算条件の手動入力の簡易化
ナノスケールの複雑な構造情報の自動生成
多様なユーザレベルに対応

ＧＩＡＮＴ

アプリケーション間データ変換ツール

ナノに対する多様な理論・方法論の相互連携
任意のソフト（中核アプリ、付加機能ソフト）の任意な結合が容易に実行可
バイナリー市販プログラムも組み込み可計算結果の可視化、解析の自動化

実験研究

ものづくり
（企業研究）

ナノ統合拠点（計算科学）

計算機科学

実験研究者からの計算科学への期待：
潮田資勝（物材機構）、青野正和（物材機構）、栗原和枝（東北大学）

産学の連携
高田 章（旭硝子中研）、兵頭志明（豊田中研）、金田千穂子（富士通）

計算機科学と計算科学の連携佐藤三久（筑波大計算センター）、押山（東大工）ナノサイエンス分野における人材育成
岡崎 進（名古屋大）

「計算科学者、計算機科学者、実験研究者
および産業の接点と人材育成」（１）実験研究と計算科学の連携および人材育成をいかに推進すべきか？
（２） 「産」と「学」の連携および人材育成をいかに推進すべきか？
それぞれの課題？
（３）計算科学と計算機科学の連携および人材育成をいかに推進すべきか？