筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

目次
まえがき ................................................................................................................................................. 21

センター組織と構成員 ................................................................................................................. 42

平成 30 年度の活動状況 .............................................................................................................. 83

各研究部門の報告 ....................................................................................................................... 15

I.

素粒子物理研究部門 ................................................................................................................... 15

II.

宇宙物理研究部門 ...................................................................................................................... 40

III.

原子核物理研究部門................................................................................................................... 65

IV.

量子物性研究部門 ...................................................................................................................... 83V.

生命科学研究部門 ................................................................................................................... 110
V-1. 生命機能情報分野 .......................................................................................................... 110
V-2. 分子進化分野 .................................................................................................................. 125

VI.

地球環境研究部門 .................................................................................................................. 140

VII.

高性能計算システム研究部門 ............................................................................................... 155

VIII.

計算情報学研究部門 .............................................................................................................. 207
VIII-1.

データ基盤分野 .......................................................................................................... 207

VIII-2.

計算メディア分野 ...................................................................................................... 229- 1 ─1─

筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

まえがき
筑波大学計算科学研究センター（以下，センター）は，2018 年に設立 27 年目に入り，次世代の計算科学と高性能コンピューティングの研究開発に向かってより一層の努力を続けることを改めて確認し，次の四半世紀の研究を着実に進めました。
本センターは，1992 年度に設置された計算物理学研究センターを前身とし，2004 年 4 月に改組・拡充されて設立されました。2010 年には，文部科学省共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」に認定され，「学際共同利用プログラム」によって，外部の研究者に計算機資源を提供し幅広く計算科学研究を支援する全国共同利用施設としての役割を果たしています。また，「研究集会開催支援」，「研究者招聘支援」，「共同研究旅費支援」，「短期雇用支援」など，共同研究における研究者や学生の交流を図るための支援も行っています。2018 年度にはさらに，これまで長期間の海外滞在のみを視野に入れていたのに対し，これをより柔軟かつ効果的に展開するために，センター独自のマンスリーサバティカル制度を開始し，数週間から数ヶ月単位でのサバティカルを奨励し，国際的な研究展開を強力に推し進める新たな試みを開始しました。さらに，こちらからの中期訪問だけでなく，先方からも同じような期間で海外のトップレベル研究者を招聘し，集中した共同研究を支援する中期招聘体制も整えました。
センターでは，科学諸分野と計算機科学分野の協働・融合を軸とした「学際計算科学」を推進し，超高速計算機システム技術の開発を行うと共に，科学の諸領域における超高速シミュレーションおよび大規模データ解析や情報技術の革新的な応用方法の研究を行う，コ・デザインと呼ばれる研究手法を続けていますが，このコンセプトは現在の超高性能・超大規模コンピュータ開発の礎となっています。
センターには，素粒子物理，宇宙物理，原子核物理，量子物性，生命科学，地球環境，高性能計算システム，計算情報学の 8 つの研究部門があり，38 名の専任教員が従事している他，任期付助教 3 名，研究員 27 名が在籍しています。また，国際連携として，英国エジンバラ大学，米国ローレンスバークレー国立研究所を始めとする海外 13 機関と MOU を締結するとともに，37 機関（北米 15，欧州 13，アジア・オセアニア 9）と国際共同研究連携を行っています。異分野間連携として，ポスト「京」重点課題・萌芽的課題の推進や，「計算基礎科学連携拠点」，「宇宙生命計算科学連携拠点」を行っています。国際的教育活動としては韓国 KISTIとの日韓 HPC ウィンタースクールを毎年開催しています。2017 年より開始した「計算メディカルサイエンス推進事業」では，計算生体分子医科学，睡眠ビッグデータ解析・自動診断，3DCG バーチャル手術，計算光バイオイメージングによる医学分野との連携を継続し，医計連携のコンセプトの下，共同研究と人材交流を加速しています。

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1 センター組織と構成員

組織人員・教員一覧リスト
センター長

梅村 雅之

副センター長

朴 泰祐

運営協議会

委員長

佐藤 正樹（東京大学）

運営委員会委員長

梅村 雅之

人事委員会

委員長

梅村 雅之

研究企画室委員長

梅村 雅之

研究員会議

議長

梅村 雅之

研究開発推進室

先端計算科学推進室

室長

矢花 一浩



次世代計算システム開発室

室長

朴 泰祐

- 4 ─4─筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書



HPCI 推進室

室長

藏増 嘉伸



ビッグデータ・AI 連携推進室

室長

北川 博之



学際計算科学連携室

室長

高橋 大介

計算科学振興室

室長

北川 博之

拠点戦略担当主幹

重田 育照

共同研究担当主幹

中務 孝



共同研究委員会

委員長

中務 孝



共同研究運用委員会

委員長

中務 孝

計算機システム運用委員会

委員長

朴 泰祐

情報セキュリティ委員会

委員長

梅村 雅之

最先端共同 HPC 基盤施設施設長
研究部門

田浦 健次朗（東京大学）

副施設長（共同研究員は学内のみ記載）

素粒子物理研究部門
教授

藏増 嘉伸（部門主任）

准教授

吉江 友照、石塚 成人、谷口 裕介

助教

大野 浩史

研究員

浮田 尚哉、吉村 友佑

客員教授青木 愼也（京都大学）

共同研究員

金谷 和至（教授）、山﨑 剛（准教授）

宇宙物理研究部門
教授

梅村 雅之（部門主任）、大須賀 健

准教授

森 正夫、矢島 秀伸

講師

吉川 耕司

助教

Wagner, Alexander、古家 健次

研究員

田中 賢、高水 裕一、安部 牧人

客員准教授

中里 直人（会津大学）

原子核物理研究部門教授

中務 孝（部門主任）、矢花 一浩

講師

橋本 幸男

助教

日野原 伸生研究員

鷲山 広平、Guillaume Scamps、Kai Wen- 5 ─5─

梅村 雅之

筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

量子物性研究部門
教授

矢花 一浩（部門主任）

准教授

小泉 裕康、仝 暁民、小野 倫也

講師

前島 展也

主任研究員

山田 篤志

研究員

植本 光治、山田 俊介、竹内 嵩、野田 真志、Hashmi Arqum、
廣川 祐太

共同研究員

日野 健一（教授）、岡田 晋（教授）

生命科学研究部門生命機能情報分野
教授

重田 育照（部門主任）

准教授

原田 隆平

助教

庄司 光男、栢沼 愛、西澤 宏晃

研究員

鬼頭（西岡） 宏任

共同研究員

広川 貴次（教授）、吉野 龍之介（助教）

分子進化分野教授

稲垣 祐司（分野リーダー）

研究員

石谷 佳之

共同研究員

橋本 哲男（教授）

特任助教

湯山 育子（生命環境系）

地球環境研究部門
教授

田中 博（部門主任）、日下 博幸

助教

松枝 未遠

研究員

山上 晃央、Doan Quang Van、石崎 紀子、荒木共同研究員

植田 宏昭（教授）

高性能計算システム研究部門教授

朴 泰祐（部門主任）、高橋 大介、建部 修見

助教

多田野 寛人、小林 諒平

研究員

藤田 典久

客員准教授

塙 敏博（東京大学）- 6 ─6─

貴光

筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

共同研究員

安永 守利（教授）、和田 耕一（教授）、櫻井 鉄也（教授）、
山口 佳樹（准教授）、今倉 暁（准教授）

計算情報学研究部門
データ基盤分野
教授

北川 博之（部門主任）、天笠 俊之

助教

塩川 浩昭、堀江 和正

研究員

Savong Bou、太田 玲央

計算メディア分野
教授

亀田 能成（分野リーダー）

准教授

北原 格

助教

宍戸 英彦

共同研究員

白川 友紀（特命教授）- 7 ─7─筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

2 平成 30 年度の活動状況
2.1 計算科学研究センターの次のステップに向けて筑波大学計算科学研究センターは，2017 年度に設立 26 年目に入り，次の四半世紀の活動に向け新たな一歩を踏み出しました。2018 年度はこれまで続けてきた本センターの歩み，特に計算科学者と計算機科学者が協力し，高性能計算システムの開発とそれを有効利用する計算科学アプリケーションの開発を同時に行うコ・デザインのコンセプトの下，両分野の研究協力をより一層推進することに加え，特に国際研究展開力の向上と世界トップレベルの研究機関への進化を目指した活動を行いました。
筑波大学計算科学研究センターは，1992 年（平成 4 年）度に設置された計算物理学研究センターを前身とします。計算物理学研究センターは，岩崎洋一先生（後に初代センター長，筑波大学学長）が，平成 4 年に文部科学省の“学術の新しい展開のためのプログラム（通称新プロ）”に申請した“専用並列計算機による「場の物理」の研究”の採択を受けて設立されたものです。当初は物理学系からの 6 名の振替えと純増で認められた 4 名の教員からなる組織で，センター独自の建物はありませんでした。そして，物理学計算の超高速化を目指したスーパーコンピュータ「CP-PACS」の開発予算が認められ，計算機棟設置が決まりました。その 4 年後の平成 8 年に，超並列計算機 CP-PACS が完成し，スーパーコンピュータ・トップ500 の世界第 1 位に登録されました。大学が主導したプロジェクトで，世界最高速のスーパーコンピュータを開発したのは我が国初の快挙でした。CP-PACS の完成は，物理学研究者と計算機工学の専門家の協働が実を結んだものであり，今でこそ広く認知されるようになった
コ・デザインの先駆けでもありました。その後，平成 16 年の国立大学法人化の節目に改組し，部門を拡充して，素粒子宇宙研究部門，物質生命研究部門，地球生物環境研究部門，超高速計算システム研究部門，計算情報学研究部門の５部門からなる計算科学研究センターが発足しました。
その後，平成18年度から国立大学法人運営費交付金特別研究経費の交付を受けて，高性能超並列クラスタ「PACS-CS」が開発されました。さらに平成19年には，重力演算加速器を融合させた新たなアーキテクチャHMCSを発展させ，特別推進研究に基づく融合型並列計算機「宇宙シミュレータFIRST」が開発されました。平成23年には，特別研究経費の交付により，超並列演算加速器クラスタ「HA-PACS」が製作されました。
また，平成 20 年には，当センターと東京大学情報基盤センター，京都大学学術情報メディアセンター間で，T2K（Tsukuba-Tokyo-Kyoto）オープンスーパーコンピュータアライアンスを結成し，それぞれの大学のスーパーコンピュータの共同仕様を策定し，筑波大では T2KTsukba を調達しました。これは筑波大学としては初めて超並列クラスタ型スーパーコンピュータを導入すると同時に，筑波大学として初めて米国メーカーによるスーパーコンピュータ- 8 ─8─筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書の導入ということにもなりました。クラスタ型計算機はその後の HA-PACS を経てメニーコア型超並列クラスタ COMA の開発・導入へとつながりました。
この流れを受け，平成 25 年に計算科学研究センターと東京大学情報基盤センターによる，我が国で初めてとなる 2 大学連携によるスーパーコンピュータの開発・運用を目的とした「最先端共同 HPC 基盤施設（JCAHPC）」が設置されました。そして，平成 28 年には，JCAHPCにおいて新たなメニーコア型のスーパーコンピュータ Oakforest-PACS を導入し，我が国最高性能を達成しました（Top500 ランキングでは当時世界第 6 位）。
この間，センター組織として，素粒子と宇宙，物質と生命が独立した部門となるとともに原子核部門も加わって 8 部門の体制となり，38 名の専任教員を置く大センターへと発展しました。そして，研究開発推進室が設置され，各分野の研究のみならず，計算機工学分野との協働や異分野間連携が広く展開されるようになりました。計算科学研究センターは，平成 22年度からは，文部科学省共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」に認定されました。学内では，研究大学強化促進事業の下で，先端的研究型重点研究センターの一つとして位置付けられ，重点的な機能強化が行われると共に，平成 28 年度には予算執行や人事を独立して行う部局となりました。学術センターが独立した部局となるのは，筑波大学では初めてのことです。センターがここまで発展できたのは，文部科学省の多大なご支援，大学執行部の強いサポート，他大学・研究機関の多くの研究者の協力と支援，科学者と計算機工学者の協働ならびにセンター内の研究者の尽力の賜物であり，この場を借りて関係各位に心より御礼申し上げます。

2.2 平成 30 年度の活動方針
文部科学省共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」として，計算機システムの開発・運用，並びにこれを用いた学際計算科学の研究を推進する。「最先端共同 HPC基盤施設」においては，東京大学との協働によりスーパーコンピュータ Oakforest-PACS を運用し，幅広い分野の学術研究に供し，計算科学の発展に資する。また，「計算基礎科学連携拠点」「宇宙生命計算科学連携拠点」「計算メディカルサイエンス推進事業」を中心に，異分野間連携を強化する。さらに，国際共同研究拠点化に向けた研究体制の構築を図る。

2.3 共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」の活動状況■ 実施計画
大規模メニーコア型システム Oakforest-PACS（8,208 ノード，25 PFlops），メニーコア型演算加速クラスタ COMA (PACS-IX)（393 ノード，1,001TFlops）及び GPU 間直接通信機構を持つ演算加速クラスタ HA-PACS／TCA（64 ノード，364TFlops）を計算資源として，プロジェ
クト共同研究を公募し，「学際共同研究プログラム」を実施する。本プログラムは①大規模- 9 ─9─筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

計算によって可能となる計算科学を推進する「重点課題推進プログラム」，②異分野連携・共同研究を支援する「学際開拓プログラム」，③本センターが開発したプログラムやシステ
ムを用いて研究を共同で推進する「共同研究推進プログラム」からなり，学際計算科学の共同研究を推進する。公募する分野は，素粒子，原子核，宇宙，物質科学，生命科学，地球環境，生物，化学，計算機工学の 9 分野である。共同研究プロジェクトの課題公募は年初めに受け付け，利用状況を勘案し年度後半に追加配分を検討する。
「学際共同研究プログラム」の実施においては，共同研究委員会と共同研究運用委員会を設置して審査を行う。共同研究委員会は，各分野について学外 2 名・学内 1 名からなり，応募課題についてピアレビューを行い，共同研究委員会は審査結果を受けて採否案を策定し，センター長がこれを決定する。共同利用・共同研究に関す情報発信は，本センターHP の他，各研究分野の研究者コミュニティのメーリングリストを活用して行う。
また，今後のセンターの国際研究拠点化を視野に入れつつ，大型化する学際共同利用申請の処理と円滑なプログラムの運用のため，申請・審査・採択通知・プロジェクト管理等を統合的に処理し電子化し，処理システム自体の英語化を図る。
■ 実施状況
東京大学情報基盤センターと共同設置した「最先端共同 HPC 基盤施設」において，一昨年度導入し運用を開始したメニーコア型大規模スーパーコンピュータシステム Oakforest-PACSは運用 3 年目に入り安定した稼働率とユーザ利用率を記録した。学際共同利用プログラムにより，素粒子分野，宇宙分野，原子核分野，物質科学分野，生命分野，地球環境分野，生物分野，化学分野，超高速計算システム分野，計算情報学分野，数値解析分野で，計 79 課題の研究プロジェクトを採択し共同研究を実施した。重点課題についても，学際共同利用プログラムのプロジェクトとして実施した。これらの共同研究により，学術論文 235 件を発表した。
各分野におけるプロジェクト採択数を表 1 に，学際共同利用プログラムによる成果発表論文数を表 2 に，プログラムの参加状況を表 3 に示す。
表1

各分野における学際共同利用プログラム・プロジェクト採択数

素粒子
15

宇宙
10

原子核
9

物質科学
10

素粒子
12

宇宙
6

原子核
6

物質科学
7素粒子
10

宇宙
7原子核
2

物質科学
8

化学生命
地球環境
1
7
3
計算機ごとの採択数
COMA
化学生命
地球環境
163Oakforest-PACS
化学
生命
地球環境
032- 10 ─ 10 ─

生物
2HPCS
5

計算情報学 数値解析

生物
2HPCS
2

計算情報学 数値解析

生物
0HPCS
5

計算情報学 数値解析

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筑波大学 計算科学研究センター 平成 30 年度 年次報告書

さらに，医学分野との連携により，計算科学による医療技術の開拓を目的とした，「計算メディカルサイエンス推進事業」の本格的活動を開始し，次年度における事業部化の足がかりを作った。

2.5 センターシンポジウムの国際化センターでは毎年 10 月，「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創造シンポジウ
ム」の名の下に，センターの活動と先進的計算科学及び高性能計算に関するシンポジウムを，学際共同利用中間発表会を兼ねて開催してきた。平成 29 年度の同シンポジウムはセンター設立 25 周年シンポジウムとして四半世紀の研究の総括と今後の展開という意味を込めて拡大して行われた。平成 30 年度のシンポジウムでは，今後の国際研究拠点化を睨み，初めてセンターシンポジウムを国際化し，シンポジウムの全講演を英語化，国際シンポジウムとして開催した。
今後，世界トップレベルの国際的研究拠点を目指す上で，様々なイベントやプログラムの英語化は重要なステップである。平成 30 年度における学際共同利用の申請システムの電子化・英語化と，センターシンポジウムの国際化により，今後の活動の基盤を作った。

2.6 今後のあり方
計算科学研究センターは，筑波大学の研究センター組織再編の下で，先端研究センター群の中の世界級研究拠点（R1）に位置付けられた。これにより，全学戦略枠の人員配置やプロジェクト予算の配分等を通じて重点的な機能強化が行われ，平成 28 年度より本学の独立した部局の一つとなり，大学の研究力強化に貢献している。計算科学研究センターは，計算機科学分野と科学諸分野が融合・連携して「学際計算科学」を推進し，我が国の計算科学の発展に資する高性能計算機の開発・運用を行っている。筑波大学の理念は，国，機関，学内組織などの境界を超えた教育研究のトランスボーダー化の加速であり，計算科学研究センターの役割は，計算科学を通じた学際融合と国際化の加速である。学際計算科学は，計算機工学と科学諸分野の融合だけでなく，科学の異分野間融合の高い可能性をもつものであり，当センターでは「計算」を共通軸とした共同研究が多く行われている。センターが推進する「宇宙生命計算科学連携」および「計算基礎科学連携」は，分野の境界を越えたグローバルな研究展開を実践できる拠点であり，既に様々な異分野間共同研究が進んでいる。また，医計連携を目指す「計算メディカルサイエンス推進事業」は，医学分野との連携基盤を作るものであり，将来は産業界との連携へと発展していく。今後，これらセンターのもつ学際性と人材育成によって，機能強化・特色化を加速し，国際的なハブ拠点へと発展させる。これらの活動全てについて，世界トップレベルの国際研究拠点に向けた発展を目指し，活性化と成果の創出を目指す。
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