学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

14-NA22高分子流体計算の並列効率向上と３Ｄ可視化
村島隆浩（東北大学）
概要
ミクロの分子シミュレーションとマクロの流体シミュレーションを接続するマルチス
ケールシミュレーションはデータ量が膨大なため、分子の時系列データを保存して後処理によって可視化する従来型の方法は困難である。そこで我々は Interactive なデータアクセスと３Ｄタイルドディスプレイを用いた可視化により必要なデータにアクセスし効率よく情報を取り出すことでこの困難を克服したい。
紐状ミセル流体のハイブリッドシミュレーションを用いた流動解析及び、紐状ミセルの複雑なネットワーク構造の可視化を行った。コードのチューニングを行い、実行効率を高めた。

1.

共同研究に関する情報

2.

研究の目的と意義（研究の目的）(1) 共同研究を実施した拠点名

高分子流体の流動挙動をシミュレーションする

東北大学サイバーサイエンスセンター

ことは、流体要素の変形とその応力の対応関係が非線形でかつ履歴に依存することから、非常に困(2) 共同研究分野難な問題である。一般に変形と応力の時間発展方

超大規模数値計算系応用分野

程式である構成方程式を仮定することで高分子の

超大規模データ処理系応用分野

流動挙動をシミュレーションすることがよく行わ

超大容量ネットワーク技術分野

れるが、構成方程式を求めること自体が非常に困

超大規模情報システム関連研究分野

難で、設定した材料の分子構造を反映したシミュ(3) 参加研究者の役割分担レーションを行うことはできていない。そこで本研究代表者は高分子流体のマルチスケールシミュ

村島隆浩

レーション法を開発し、構成方程式を用いる代わ開発全般・計算実施

りに高分子シミュレータを用いることで、材料の分子構造を反映した高分子流体のシミュレーショ

江川隆輔

ンを可能にした。本研究課題では高分子流体のマ並列化効率・３Ｄ可視化検討、技術支援

ルチスケールシミュレーション法の並列化効率の検討・向上を行うことで、次世代のスーパーコン

萩田克美

ピュータ上での実行可能性についての検討を行う。

粗視化モデル開発・３Ｄ可視化検討、技術

またマルチスケールシミュレーション実行中の高支援分子の状態の 3D 可視化により応用上重要な流動中の高分子の配向制御に関して検討する。

戸田昌利（研究の意義）

粗視化モデル・３Ｄ可視化検討、技術支援

高分子溶融体などのソフトマターはマクロスケールの変形に対する応答や流動がミクロスケールの分子集団の運動に依存するマルチスケールな特徴を持つ。しかしながら、ミクロスケールからマ1

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5. 今年度の研究成果の詳細

クロスケールまでの全ての分子自由度を同時に取り扱うことは原理的に不可能であるため、従来は、今年度はミクロスケールの分子モデルとして、マクロスケールの流動現象はマクロスケールだけ

粒子・連続場ハイブリッドモデルを用いマクロスで、ミクロスケールの分子集団の運動はミクロス

ケールは１次元系を仮定したマルチスケールシミケールだけで、それぞれ別々に取り扱われてきた。

ュレーションを実施した。粒子・連続場ハイブリ

我々は従来の枠組みにおいて、マクロスケールのッドモデルは粗視化高分子モデルを拡張したもの

変形に対する応答を記述するための構成方程式ので、界面活性剤の作るミセルの融合・分裂の力学代わりに、ミクロスケールの分子シミュレーショを取り込んだモデルである。したがって従来の高ンを実施することで、ソフトマターのマルチスケ分子モデルでは取扱いが困難だった、ネットワーール性を記述する計算手法の研究・開発を進めてク構造の形成やせん断流動下における構造破壊をおり、マクロスケールな複雑な流動中の分子状態調べることが可能である。

を直接調べることを可能にした。この方法は高分マルチスケールシミュレーションによりスリッ

子溶融体のミクロスケールの状態が織りなす高次ト間の紐状ミセル溶液の流動挙動を解析した。２構造を解析するのに役立ち、今後、ソフトマター枚のスリット間を流れる紐状ミセル溶液の流動を材料を利用した製品の高強度化や高機能化の探索調べる。スリット壁直上では速度ゼロの非すべりに有効な方法である。

条件を仮定した。静止した状態から流動を開始すると、流路中央部で流速を調べたところは①大きく上昇、②大きく減少、③少し上昇、④定常と４3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義段階の振る舞いを生じた。スリット壁近傍ではこ本課題で提案しているマルチスケールシミュの変動の振幅が小さい。せん断速度について調べ

レーション手法の開発は主に申請者個人で行ってると流路中央部とスリット壁近傍では流速の場合いる。計算効率を上げるためのノウハウを持ち合とは異なり、スリット壁近傍で大きく変動する振わせていないため、必然的に計算効率の悪いコーる舞いが見られた。せん断応力の振る舞いに関しドになっている。計算機科学センター（東北大サては①大きく上昇、②大きく減少、③緩やかに減イバーサイエンスセンター）との共同研究により、少、④定常と先の２つと比べると大きく振る舞いコードのチューニングを行っていただくことで、が異なる。また①と②の間の応力のピークが表れ研究が加速することを期待する。また３Ｄ可視化

る時間が流路中央に行くほど遅くなることがわか

装置を使ったデータ可視化を行うことで、従来でった。非一様なせん断速度場における応力場の予は困難であった局所的な分子配向情報のマクロス測は従来の非平衡 MD シミュレーションでは困難ケールな空間分布を得ることができると考えられであり、マルチスケールシミュレーションによりる。コードチューニングにより、1.5 倍以上の高初めて解析が可能になった。さらに定常状態での速化が達成され、今後更なる高速化が見込まれる。

紐状ミセル溶液の状態を調べると、流路中央とスリット壁近傍ではミセルの分岐数が１０％ほど異なり、流路中央ではネットワーク構造が保たれて

4. 前年度までに得られた研究成果の概要

いるが、スリット壁近傍ではネットワーク構造が（新規課題のため無し）破壊され、弾性を低下させていることがわかった。
この結果スリット壁近傍では速度場の振る舞いがニュートン流体であるが、流路中央では非ニュートン流体となっていることがわかった。また、ネットワーク構造を可視化することにより、流路中2

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央部とスリット壁近傍で異なる構造をとっているに、ベクトル化されてないことが判明した。ベクことがわかった。流路中央部ではネットワーク構

トル化阻害要因の主たる原因はエラー処理とメモ造が複雑に分岐しているために、どの方向から見リー管理の部分であり、今後ソースコードを書きても空隙率が低いが、スリット壁近傍では流動方換えることで対処していく。

向から見た場合と他の方向から見た場合とで大きく異なり、流動方向から見た場合、空隙率が高く、6.

その他の方向から見た場合には流路中央部と同様今年度の進捗状況と今後の展望空隙率が低いことがわかった。内部構造を可視化

初期的なプロファイル解析とコードチューニンすることにより、数値データからは読み取れないグで想定していた以上の高速化が図れた。今後ボ情報を得ることができた。今後はより長時間の計トルネックの調査、改善により更なる高速化が図算を実施し流動不安定挙動の原因を解明する。

れると期待している。コードの高速化効率化に関

本研究におけるマルチスケールシミュレーショしては当初想定していた通りの進捗状況である。

ン手法は多数の分子シミュレーションを連動させ３Ｄ可視化に関しては、流路中央部とスリットるために、相応な計算機資源を必要とする。少し壁近傍で紐状ミセルの分子状態が違いを局所的なでも計算時間を減らすためには分子シミュレーシ可視化によって表示することにより違いを抽出す

ョンの高速化が必要である。東北大学サイバーサることができた。大域的にどのような変化をしてイエンスセンターと協力してコードのチューニンいるかを把握するためにも大型ディスプレイを用グを行った。性能調査を行ったところ、１回あたいた可視化が重要である。兵庫県立大学の CAVE をりの計算時間は短いが、呼び出し回数の多いサブ用いた 3D 可視化の実証研究を 2015 年度より開始

ルーチンがコスト上位に多数しめることがわかり、 し、今後より効果的な可視化を検討していく。
関数呼び出しのオーバーヘッドが累積し、コストが増加していることが判明した。高速化の方針としてインライン展開により関数呼び出しのオーバ

7.

研究成果リストーヘッド削減し、高速化を図った。コンパイルオ(1) 学術論文なし

プションによる自動インライン展開と、自動展開されないサブルーチンに指示行を挿入して明示的に行うインライン展開を行った。結果、1.5 倍以(2) 国際会議プロシーディングス

上性能が向上した。

なし

SX-ACE を用いて性能分析を実施したところ、ベクトル化効率が低く、演算性能があまり出ていないことが判明した。理論演算性能比は SX-ACE が(3) 国際会議発表

Intel IvyBridge の 3.3 倍高いにも関わらず、IvyBridge で実行した方が 8.5 倍速い結果となった。ベクトル化阻害要因として、ループ内に、“Multiscale Analysis of One-dimensionalmalloc, calloc, free, printf, exit などのベク

Fluid Dynamics of Wormlike Micellar Solution”,

トル化対象外の処理が存在していること、for 文T.

内に while 文が存在するなど、ベクトル化不可の“Multiscale

ループ構造が存在するなど、依存関係が不明なル

matter systems”, 2014/10/06, Mainz, Germany.

Murashima,T.

Toda,simulationT.

methods

Kawakatsu,
forsoftープとなっていることが判明した。またデータの“Multiscale Simulation of Wormlike Micellar

依存関係が非自明なデータ構造となっているため
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Solution – Network Structure in Non-uniform
Flow Field”, T. Murashima, T. Toda, T.
Kawakatsu, “The AIMR International Symposium2015”, 2015/02/17-18, Sendai, Japan.

(4) 国内会議発表“高分子流体計算の並列効率向上と３Ｄ可視化”,
村島隆浩, “学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点第６回シンポジウム”, 2014/7/10, 東
京“マルチスケールシミュレーションによる紐状ミセル溶液の流動解析”, 村島隆浩, 戸田昌利, 川勝 年 洋 , “ 第 62 回 レ オ ロ ジ ー 討 論 会 ”,
2014/10/15, 福井市“ソフトマター流体のマルチスケールシミュレー
シ ョ ン ”, 村 島 隆 浩 , “Smart Simulation ofSoftmatter, Structured fluid and Stokes flow2014”, 2014/10/18, 米沢市“紐状ミセル溶液のマルチスケールシミュレーシ
ョン―非一様流動場中のネットワーク構造―”,村島隆浩, 戸田昌利, 川勝年洋, “第４回ソフトマター研究会”, 2015/01/07, 名古屋市
“スリップリンクモデルにおける高分子溶融体の流動中の変形と応力の関係”, 村島隆浩, “日本物理学会

第７０回年次大会”, 2015/03/22, 東京(5) その他（特許，プレス発表，著書等）
なし

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