産業シミュレーションロードマップ
第2版
2021年7月
スーパーコンピューティング技術産業応用協議会(産応協/ICSCP)
産業シミュレーションロードマップSWG
0

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産応協について産業界におけるスーパーコンピューティング技術の利活用促進を目的に2005年に設立＜活動内容＞
Spreadingｽｰﾊﾟｰｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術の利活用推進のための普及啓発

Technology

Ｐ olicy【2021年7月現在】
正会員：17社
アソシエート会員：1団体
賛助会員：3社・1団体
協力会員：1社
登録会員：891名

Professional Development

Recommendation

ｽｰﾊﾟｰｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術の高度利用促進に向けた人材育成

産業応用促進に向けた施策提言・意見集約

Ｅ xpansin of Utility
国産アプリケーション
ソフトの利用拡大

1

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会員企業・団体
正会員(株)ＩＨＩ

鹿島建設(株)(株)風工学研究所

川崎重工業(株)清水建設(株)

ダイキン工業(株)(株)竹中工務店(株)東芝

トヨタ自動車(株)東レ(株)日本電気(株)(株)日立製作所

富士通(株)(株)本田技術研究所

みずほリサーチ
三菱ケミカル(株)＆テクノロジーズ(株)（特定非営利）ＣＡＥ懇話会

中外製薬(株)

三菱電機(株)アソシエート会員（一社）日本自動車工業会
準会員（賛助会員）
住友化学(株)(公財)鉄道総合技術研究所

準会員（協力会員）(株)大和システムエンジニア
2

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運営体制（2021年度）（連携）

運営委員会（全体統括）
事務局

HPCIｺﾝｿｰｼｱﾑ（代表・理事派遣・提言）

企画委員会（全体企画・戦略的活動）
施策提言WG

HPCﾛｰﾄﾞﾏｯﾌﾟ
WG

主査会

人材育成WG

コミュニティ委員会（コミュニティ活動）
産応協ｾﾐﾅｰWG

産応協ｽｸｰﾙWG

HPCものづくり
ﾜｰｸｼｮｯﾌﾟWG

対話交流会
WG
3

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産応協の主な活動実績 (産応協のウェブサイト参照 http://www.icscp.jp/ ) 広報・提言活動（HPCIの運用改善、利用環境整備等に向け，産業界からの提言を発信） 産応協からの提言「ＨＰＣＩの産業利活用促進に向けて（Ⅰ）」〔2017/5/14～〕
 ＜2016年度活動まとめ＞

 ＜2017年度活動まとめ＞

 文部科学省研究振興局長への提言手交 ポスト「京」の着実な推進を望む（提言）〔2018/3/27〕

 ポスト「京」の着実な推進および移行期のHPCI産業利用について（提言）〔2018/7/26〕
 ポスト「京」を初めとするHPCIの産業利用と利用支援について(提言) 〔2019/6/12〕
 「富岳」を初めとするHPCIの産業利用と利用支援について（提言）〔2020/7/6〕

 「富岳」を初めとするHPCIの産業利用と利用支援について（提言）〔2021/6/29〕

 産業シミュレーション・ロードマップ（2018/5に初版完成）
 HPCシミュレーションに関する海外動向調査報告 〔2017/12/11〕

 産業シミュレーション・ロードマップ 〔2018/12/19の第11回産応協シンポジウムにて発表〕

 コミュニティ活動（アカデミアと連携し，産業界の人材育成、HPCの普及・啓発等に貢献）
産応協コミュニティ活動の実績

初回

開催回数

延べ参加者数

シンポジウム

2005年

13

2104

産応協セミナー（旧スパコンセミナー）

2006年

46

2459

産応協スクール（旧産業利用スクール）

2009年

26

423

ものづくりワークショップ

2013年

12

260

中小企業技術交流会(対話交流会)

2014年

4

198

4

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産応協が目指すもの
 産業界におけるシミュレーション/ＡＩ/ ビッグデータ等のスーパーコ

ンピューティング技術の利活用 → Soｃｉｅｔｙ 5.0の実現

5

Copyright 2021 Industrial Committee for SuperComputing Promotionシミュレーションの活用と効果 【自動車と構成製品】

自動運転・予防安全

ボディ

ワイヤーハーネス

電磁波

室内

ノイズシミュレーション

取り回し・干渉ワイヤハーネスの強度シミュレーション

健康長寿 エネルギー 防災減災
安心安全 環境負荷 フロンティア

電装部品

健康長寿 エネルギー 防災減災
安心安全 環境負荷 フロンティア

健康長寿 エネルギー 防災減災
安心安全 環境負荷 フロンティア

シャシー
6

モーター

乗り心地、操縦安定性

シャシー

ドライブトレーン

電池

強度、振動騒音、潤滑

騒音、熱、磁場

健康長寿 エネルギー 防災減災
安心安全 環境負荷 フロンティア

エンジン・モーター
Copyright 2021 Industrial Committee for SuperComputing Promotionシミュレーションの活用と効果 【都市・建物と構成製品】

都市・インフラ街区スケール

建物スケール7

部屋スケール

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ロードマップ作成の背景
 先進的な理論研究とこれに基づく計算手法の実現や、開発プロセスの改革につながるソフトウェアの開発を期待する。
 例えば、高分子材料の分野においては、空間スケールは「京」により飛躍的に拡大し、

m

空間スケール

空間スケールmm

μm

nm「京」「富岳」が得意「富岳」で更なる拡大が期待されるが、時間スケールの拡大は十分とはいえず、時間スケールを拡大するような超高速ソフトウェアの開発や粗視化理論への期待が大きい。
 また、機械系分野においては、デザインを変更後、瞬時に性能を予測するようなリア
ルタイムシミュレーションへの期待が大きい。
CAE(Computer Aided Engineering)
製品・プラント設計

有限要素法

粗視化シミュレーション
高次構造
高次構造に依存した物性

デザイン変更平均場理論

絡み合い動力学【 現象】

量子化学・分子シミュレーション
材料設計，医薬設計

粗視化分子動力学

分子動力学
量子化学

リアルタイムシミュレーション
デザインを変更 ⇒ 1 click で瞬時にCd値予測【 デザイン検討 】

nsμs

1 click

産業界の希望：
時間スケール拡大→革新的なアルゴリズム
や粗視化理論が必要
mshs

時間スケール

時間スケール

高分子材料の計算手法の位置づけ（東レ）「ＨＰＣＩの産業利活用促進に向けて（Ⅰ）」提言資料（http://www.icscp.jp/から公開中）を一部改変

8【 性能 】

Cd値

リアルタイムシミュレーション（日本自動車工業会）

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産業界のHPC活用
 現在のフラッグシップと同等性能のスパコンを産業界が導入する時期には、数年から10年程度のギャップがある フラッグシップ／第2階層スパコンの利用による革新技術創出の継続が必要

100 EFlops

高性能
大規模

HPCI
1 EFlops
下方展開

10 PFlops

フラッグシップ

革新技術
第２階層

100 TFlops

産業界での本格活用

企業内
計算機

次々世代
（１０年後）

次世代（３〜５年後）現世代

時間
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産業シミュレーションロードマップの検討
シミュレーションロードマップ
有識者
ヒアリング調査
産業界

 製品等を通じたシミュレー

政府・アカデミアションの社会的効果
 産業界の現状ニーズおよび将来計画
 ハｰド/ソフトの技術動向

産業界のニーズを考慮した施策の検討

 それに向けて各企業で行うべ

産業界のニｰズを反映した計算環境の実現(ハード/ソフト/支援)

産応協メンバー
企業
その他の企業提言• シミュレーションの重要性認識• 研究開発･投資への指針

き事､政府・アカデミアに期待
する事

施策の実施

国が整備した計算環境を利用した研究開発の加速
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産業界のシミュレーション利活用状況
シミュレーションの利活用状況
建設・機械分野

材料・化学分野• 構造、衝突、熱流体など様々な対象のシミュレーションが商用ソフトを中心に実用化されており、研究開発や設計の各工程で必要不可欠• 最終製品設計の現場では利用されていないが、マテリアル革新力強化に欠かせないツールとして浸透している• シミュレーション活用の効果が大きい
領域については、実験の対費用効果を超える成果を上げている• 利活用事例の多くは、材料全系から抽出された特徴的部位や単純化された系（“代理指標”）に対するシミュ
レーションを実施し、材料特性の向上
や現象理解を目指す方法• 代理指標は、インフォマティクス（データ駆動型材料設計）の推進にも有用

産応協「産業基盤ソフトウェア検討ワーキンググループ－平成27年度活動レポート－」の一部を更新

http://www.icscp.jp/wp-content/uploads/2016/12/6389a32fe5146791fa3ac3385b55d1fd.pdf
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将来のシミュレーションニーズ(1/2)
 共通性・重要性が高い、シミュレーションにより課題解決が求められるニーズを分

野ごとにピックアップ。必要となる技術、実現に向けた技術的課題と共に、 10年程度のスパンでロードマップとしてまとめた
 実現に向けては、協調領域のソフト技術開発、大規模HPCの利活用が必要【選定したシミュレーションニーズ：材料化学分野】

材料・化学分野

カテゴリ

シミュレーション対象

適用製品・効果

数値フラスコ（凝集系化学反応）

触媒反応モデリング

均一系触媒

表面界面の反応モデ
リング

固体触媒、電池関連材料、CVD材
料など

数値フラスコ（光電機能）

励起状態モデリング

機能性色素、光学材料など

有機デバイス材料モ
デリング

有機LED、有機TFTなど

数値押し出し機（ポリマー材料の構造と物性）

共重合ポリマー・ポリ
マーブレンドのモルフォロジーモデリング

構造材料用ポリマー、機能性コンパ
ウンド

12

進捗等(初版より)かなり長期的に取組
むべき課題であり、基本的には継続すべきテーマ。さらに、インフォマティクス技術等の発展にも期待。

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将来のシミュレーションニーズ(2/2)
【選定したシミュレーションニーズ：建設機械分野】
カテゴリ
建設

建設機械分野機械

シミュレーション対象

適用製品・効果

都市・建築のレジリエンス強化

極端気象現象を想定した被害推定など

水素爆発（爆燃）

漏洩水素による爆燃被害の減少など

温熱環境

建物周辺の環境予測など

高層建物の耐風設計

建物および建物まわりの人の安全・安心など

CFRP成形

構造信頼性評価、廃棄コスト削減など

冷凍サイクル（混相流）シミュ 空調等の冷凍サイクルのシステム全
レーション
体の設計から保守・運用までを高度化

輸送機械

スマートシティー・ビル・ハウ
スにおける最適AI制御

インフラ、家屋の熱容量やエネルギー
効率の予測

持続可能な社会を実現する
インフラシステム予測技術

インフラシステムを構成する各コンポー
ネントの性能・挙動の高速予測

内燃機関

燃焼器の燃費性能評価など

ガスタービンの全エンジンシ
ミュレーション

ジェットエンジン(航空用ガスタービン)
では、信頼性確保、燃費向上など

空力・空力騒音

空気抵抗低減、快適性向上など

進捗等(初版より)

重点課題プロジェク
ト等でアカデミア等と連携して取り組んでおり、進捗状況を踏
まえて、初版で選定したテーマを見直し。

※青字は、第二版から新規に選定したニーズ。
13

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【材料・化学】凝集系化学反応の数値フラスコ化
 共通性ならびに重要性の高い凝集系化学反応 の”数値フラスコ化”
 凝集系化学反応の“数値実験化”を実現⇒産業界の基礎研究・研究基盤の強化
 均一触媒、表面・界面反応(不均一触媒、機能薄膜、電池材料等)

現状

近い将来（数年程度）• 化学的洞察に基いて予め想定した反応経路に沿った遷
移状態探索• 遷移金属の計算精度が不十分• クラスターや小規模な表面スラブによるモデル化(表面)• レアな副反応まで含めた触媒反応経路探索（孤立系）• より現実に近い表面モデル• 凝集系の自由エネルギー面探索手法の一般化• DFT汎関数の高精度化• 対象拡大、副反応までを考慮した非経験的なスクリーニ
ング• 実験結果の解釈、作業仮説の構築、触媒1次ｽｸﾘｰﾆﾝｸﾞ
産業界における
日常的な活用
レベル

重点課題との連携
課題設定段階の早期参画
14

将来（10年程度）• 遷移金属を含む凝集系・表面における網羅的な化学反応経路探索の日常的活用• chemical accuracyを有する反応速度定数の算出• ｲﾝﾌｫﾏﾃｨｸｽ技術や熱流体解析と組み合わせることで、非経験的なﾌﾟﾛｾｽｼﾐｭﾚｰｼｮﾝを実現(パイロット設計や生産
条件最適化などへ波及)

産業界での利活用を容易にする環境を整備(エコシステムの在り方検討、および具体化 等)
次の研究開発プロジェクトとの連携強化
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【材料・化学】触媒反応モデリング“数値フラスコ” 凝集系化学反応 「ポリマー重合における触媒反応モデリング」• ポリマー重合における主反応・副反応の反応経路を網羅的に解明。ラボ／パイロット重合実験の置き換え。
• 触媒の性能向上には主反応の活性化と副反応の不活性化の両方が重要であり、特にレアな副反応の抑制が必要。
• ラボスケール実験は反応槽内の温度や物質の分布を均一に保ちやすいが、パイロットでは均一化は不可。パイロットや生産での解析には、マクロな熱・物質収支との連成まで視野に入れる必要あり。
将来（10年程度）
近い将来（数年程度）• 遷移金属を含む凝集系に現状おける網羅的な化学反応• レアな副反応
経路探索とchemicalまで含めた触• 化学的洞察に基いて
accuracyを有する反応
媒反応経路探予め想定した反応経速度定数が高速に計算
索（孤立系）
路に沿った遷移状態
可能• 凝集系の自由 【必要技術等】
探索エネルギー面探 ・凝集系の化学反• 非経験的な副反応の索手法の一般応経路探索
探索は困難、遷移金 【必要技術等】• インフォマティクス技術や熱化・化学反応経路探・Beyond
DFT
属の計算精度が不十
流体解析と練成させること•
DFT汎関数の索・DB構築，データ分。
でプロセスシミュレーションが高精度化
・凝集系の化学反解析可能となる。触媒設計の
応ダイナミクス，自・熱流体解析とのみならず、パイロット設計や• 想定反応経路に基づ
由エネルギー面探連成• 解析対象拡大
生産条件最適化などに活く実験結果の解釈、作索・ソフトウェアパッ
スクリーニング
用範囲が拡大業仮説の構築
・DFT高精度化
ケージ化
高精度化によ• 触媒候補の１次スクる高効率触媒
リーニング
設計の実現
15

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【材料・化学】表面界面の化学反応モデリング“数値フラスコ” 凝集系化学反応「表面界面の化学反応モデリング」• 材料の表面界面で進行する化学反応を網羅的に探索し主反応／副反応を予測• 反応選択性が重要となるため、主反応のみならず副反応についても網羅的な把握が重要• 化学的雰囲気を考慮しつつ、多成分系での反応挙動をkcal/molオーダーの化学的精度で追跡• 対象は、電池電極材料の固液界面反応、固体触媒の固気反応、CVD熱分解反応、半導体結晶成長など

現状

近い将来（数年程度）• クラスターモデルや小規
模サイズの表面スラブモデル等で、仮定した反応経路に沿って計算。
• 非経験的な副反応の 【必要技術等】
探索は困難、遷移金 ・GRRM法の表面反応系への拡張
属種の計算精度が不・並列化効率の高い
十分
電子状態計算プログラム
・作業仮説の構築・検・遷移金属系の化証による実験結果の解学的精度改良釈、分子設計指針の提・プリ／ポスト処理環
示
境の整備• 大きなモデルにより、固体の表面や欠陥、ひずみ等の効果をより現実に近い形で考慮• 主な副反応を含む表面素反応の経路探索が可能【必要技術等】・レアイベントサンプ
リングの改良・表面界面を含む
凝集系の化学反応ダイナミクス，自由Ｅ面探索・DB構築，データ・解析対象が拡 解析
大し、副反応機 ・熱流体解析との構などの理解が 練成・ソフトウェアパッ
進展
ケージ化
16

将来（10年程度）• 多成分表面反応系について、反応雰囲気を考慮した上で、実用上考慮すべき反応経路の計算がchemical accuracyで自動的に計算可能• 複雑な表面化学反応の理解がより一層進み、固体触媒や電池関連材料等の開発を加速• インフォマティクス、熱流体
解析と練成したプロセスシ
ミュレーションおよび最適化

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【材料・化学】有機光機能材の励起状態モデリング“数値フラスコ” 光電機能

「有機光機能材の励起状態モデリング」

・有機半導体や機能性色素等の分子の励起状態を高精度に予測。究極には実験の代替。
• 特に、現時点では限定的な光学的スペクトル形状、輻射／無輻射過程、発光の量子収率の予測が重要• 分子の会合体形成や化学的雰囲気（溶液や樹脂）の考慮が必要• 励起状態での水や酸素が関与する光反応の網羅的経路探索により劣化機構を解明
将来（10年程度）
近い将来（数年程度）• 会合体構造や化学的雰• 励起状態にお現状
囲気が考慮された凝集系
ける構造、スペにおける光物性・光化学
クトル形状、無• 1分子の光吸収や発反応性が予測可能輻射過程、発光波長については、制
光量子収率が約はあるが定量的にある程度定量 【必要技術等】
予測可能。スペクトル・光吸収が関わる実験を計的に予測可能 ・定量的励起状
形状、強度の定量的 【必要技術等】
算が一部代替、インフォマ• 凝集系における 態計算の大規模 ティクスを活用した 机上分予測は困難。また光TDDFTの汎関数・
光反応の網羅化
化学反応の解析は限子設計の大幅な確度向上
手法開発・高速化
的探索に理論 ・凝集系における
定的・高精度励起状態
17
的な目処
励起状態シミュ・光劣化反応の機構理解
計算の高速化
レーションに基づく光劣化制御、耐久・化合物のスクリーニング ・新手法開発（無・DB構築・データ性を与件とした分子設計
輻射失活速度、大 ・スクリーニングのや現象解明のツールとし解析
きな構造緩和、項 確度向上て活用
・光劣化反応の ・ソフトウェアパッ間交差を含む反ケージ化
理解に基づく作応）
業仮説構築
・GRRMとリンク
17

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【材料・化学】有機デバイス材料モデリング“数値フラスコ”光電機能「有機デバイス材料モデリング」• 有機デバイス材料について、単分子の分子設計から、凝集系として発現する固体物性の予測、さらにはデバイス特性の予測。
• 分子の特性とデバイス特性を結ぶマルチスケールのシミュレーション技術が必要• 反応や励起状態の解析技術との融合により、デバイスの特性劣化の解析も可能とする

現状

近い将来（数年程度）• 単分子あるいは数分子程度の集合体モデルからデバイス特性の代理指標を計算。ただし適切な代理指標探【必要技術等】索に時間がかかる・凝集構造記述の為の分子間相互作用の精度向上・化合物のスクリーニング
や現象解明のツールとし ・モンテカルロ法などの効率よい構造サて活用
ンプリング
・易動度など固体物
性の分子論モデルの高度化• 確からしいバルク構造の予測• デバイスシミュ
レーションに必要な固体物性 【必要技術等】のうち、易動度 ・界面構造モデルなど基本的なの構築
物性の計算が ・より複雑な素過可能程に対する分子論モデルの確立
・デバイス特性に基づくスクリーニン
グにより化合物の設計確度が向上18

将来（10年程度）• 分子～デバイス特性に亘るマルチスケールシミュレー
ションが可能• 反応・励起状態の解析技
術、インフォマティクスとの融合により、デバイス特性劣化をある程度解析しうる基盤が確立• デバイス特性からバックキャ
ストされた分子設計• 劣化機構の理解に基づく劣化制御、耐久性を与件とした分子設計

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【材料・化学】共重合ポリマー・ポリマーブレンドのモルフォロジー“数値押し出し機”ポリマー材料の構造と物性
共重合ポリマー・ポリマーブレンドのモルフォロジー• 多成分ポリマー組成物のモルフォロジーを化学的ないしは機械的に制御することにより、単成分では得られない物性・機能を発現• 成分の選択，混合法（共重合 or ブレンド），プロセス条件（温度，剪断速度，時間）などが制御因子• 物性の組合せ例：強度／弾性率，強度／コスト，強度／耐薬品性，強度／吸湿性 など。

現状• 平均場もしくは粒子法による平衡モルフォ
ロジーの定性的解析(2Dモデルなど）• 界面エネルギーの粗い見積もり（相溶化剤設計）• 試行錯誤による粗視化パラメータ算出• 粗視化度合いが大きいレオロジーモデル• 粘性体モデルのCAE• 非晶性ポリマーやゴムを対象とした定性的理解の獲得や方向性の検討

近い将来（数年程度）【必要技術等】・計算コードの大規模・高速化・粗視化パラメー
タの定量的算出法(QM/MDから）・自由エネルギー・レオロジーの練成モデル・モルフォロジーに対する機械学習• せん断場における非晶性ポリマーのモルフォロジーを(半)定量的に再現。
• 粘弾性モデルのCAE• 単純な形状のフィラーであれば，複合材料のフィラー
分散状態を再現。

• 実験前のコンセプ
ト検証に活用。
19【必要技術等】
・埋め込み型のマル
チスケールモデルによるプロセス因子の取り込み
・結晶性ポリマーの階層的結晶構造を与える結晶化モデリ
ング
・異方性フィラー(繊維など)の分散状態
・物性・機能~モルフォロジー~化学・プ
ロセス因子の機械
学習

将来（10年程度）• 非晶性ポリマーのモルフォロ
ジーをプロセス因子を加味した上で定量的に再現。
• 結晶性ポリマーのモルフォロ
ジー(球晶・シシカバブ構造など) を(半)定量的に再現。
• 結晶／非晶界面の微細構造解析(タイ鎖/ループ
鎖の分布など)。
• 複雑形状フィラーによる複合材料の分散構造予測。

• 従来にない組合せの高機能／低コスト材料の設計。

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【建設・機械】都市・建築のレジリエンス強化 頻発する極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化

・極端気象現象(極大台風、竜巻、猛暑等)を想定した被害推定
将来（10年程度）
・新しい対災害設計法の確立
現状

近い将来（数年程度）

・強風災害 メカニ ズ ム推定（ 重点課題 ④の階層型格子・壁面LESプログラム）
・数値解析による風荷重評価
手順確立 （国交 省建築基準整備促進事業での検証）

・数値解析の高速化による風洞実験と同等 の精 度・時間での耐風設計の実現
・複雑形状の格子自動生成
・十数億格子レベルの高速計
算・数値解析による風荷重評価の実案件への展開

・精緻な風圧情報取得による耐風安全性向上
・耐風性検証のコスト低減

階層型格子・壁面LESで計算効率化

100倍の計算能力

課題設定段階・将来増強する台風を想定した新しい耐風設計法確立
・極端気象現象を含む気象モ
デルとの連成とマルチハザードへの展開
・百億格子レベルの大規模・
超 大 サン プル数 の計 算 とAI解析による不確定性の定量化と設計法確立・ 極 端 気 象 災 害 に 対 す る都
市・建築のレジリエンス強化

1,000倍の計算能力

重点課題④等との連携 の早期参画 気象・建設分野の専門家による産学連携プロジェクト
東工大・神戸大・理研・建設会社が組織する「建築CFDコンソーシアム」活動
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【建設・機械】水素爆発（爆燃）21

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【建設・機械】温熱環境
 建物の温熱環境予測

・リアルタイムでの温熱環境評価
・人体移動など環境条件の完全な再現下での予測
・広域スケールおよび気候変動を考慮した予測
・3DCAD図面をベースに自動的に格子を作成し、短時間でCFD解析を実現
現状• 街区スケール（数100m以内）での外部
環境予測• 室内スケールでの内部
環境予測• RANSによる解析

将来（10年程度）

近い将来（数年程度）【必要技術等】• 複雑形状の自動格子生成• 放射・対流連携解析により、室内・外の温熱環境を把握することが可能期待される「京」からの性能向上• 広域スケールおよび気候変動を考慮した予測• 気流-熱-放射連成解析およびLESによる高精度予測• 十数億格子レベルの高速計算• 温熱環境の予測による快適性向上• 高度な省エネ設計【必要技術等】• 小スケールから大スケールまでの計算を高速化• 気象モデルとの連成（LES）

100倍の計算能力
22• 人体移動など環境条件の完全な再現下での予測• リアルタイム評価• 地形や都市を含む広域の解析• 百億格子レベルの高速計算• 高度な空調機器の制御• 実現象に近い設計法の確立

1,000倍の計算能力

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【建設・機械】高層建物の耐風設計
 高層建物の外装設計における機械学習と多目的設計探査
・風荷重・風切り音を最適化する外装材の形状設計支援
・建物および建物まわりの人の安全・安心の確保
現状・LESを用いた外装材 の風荷
重評価法の確立(国交省建築基準 整備促進事業での検証)・数値解析による設計資料の作成および審査基準の整備期待される「京」からの性能向上

近い将来（数年程度）
・LESによる実 建物形 状を再現した外装材の風荷重予測
・LESによる外装材の風切り音の予測
・LESによる風圧係数と風切り音の機械学習が可能になる。
・風洞模型では再現が難しい
外装材の風荷重予測
・数値風洞による風切り音評
価の実現

100倍の計算能力23

将来（10年程度）
・機械学習により サロゲートモ
デルを構築し、風荷重・風切り音を即時出力・サロゲートモデルを活用 し，
風荷重 ・風切り 音を最適化する形状の多目的設計探査が可能になる。
・風荷重・風切り音を最適化した外装材の形状設計
・フロントローディン グによる品
質確保

1,000倍の計算能力

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【建設・機械】 FRP構造解析
テーマ：【機械】CFRPの成形から構造信頼性を評価する構造解析技術• 航空機や自動車などの省エネルギー化（実燃費向上）を図るため、軽量高強度の複合材料の実用化が進められている。その中で，設計，開発，成形から運用時の信頼性確保，廃棄時のコスト縮減など，ライフサイクル全般に渡るコストや信頼性を評価するシミュレーション技術が求められている。特に長期間の運用が期待される構造では，部材疲労強度特性や衝撃強度特性に直結する成形方法に由来する材料/強度特性の高精度予測技術が設計・開発・製造で不可欠な技術となる。
将来（10年程度）
近い将来（数年程度）

現状• CFRPの繊維配向を考慮した材料特性を複合則を用いてモデル化することや，材料試験を行って獲得し，構造解析を実施• 積層構造の1層1層の評価も可能となってきている。
• 所望の強度特性を有する部材の設計が可能となっており，航空機や自動車への軽量部品の適用で，省エネルギー化が進められている【必要技術等】• 繊維配向や乱れ，繊維の含有量を忠実に再現するモデルを用いたペタスケー
ル計算機シミュレーション• 既定のCFRP構造に対して，材料試験を削減し，材料/強度特性を精度よく再現できることで，運用時の高信頼性が担保できる• 材料/強度特性や成形欠陥の評価において、シミュレー
ションの効果・役割が増大する（材料
試験・要素試験の削減）

24【必要技術等】• エクサスケール計
算機による樹脂と繊維を個別に取り扱うマルチス
ケール成形/構造シミュレーション• 異なる成形方法でも，実部品の試作や材料試験を行わずに，材料/強度特性が評
価可能となり，求められる設
計要求を満足する部材の作
り込みが行えるようになる• シミュレーションの効果・役割がさらに増大し，CFRP適用全般に渡る必須技術として認知される（部品試作の大幅削減が可能になる）

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【建設・機械】熱輸送コンポーネント
テーマ：冷凍サイクル（混相流）シミュレーション• 空調等の冷凍サイクルのシステム全体のシミュレーション技術の確立• コンプレッサの動力学、冷媒による熱輸送、ファンによる放熱等の各種シミュレーション技術の高度化、統合によりシステム全体を再現可能なシミュレーションモデル（デジタルツイン）により、設計から保守・運用までを高度化する

近い将来（数年程度）

現状• 機器の開発は実験主体• 設計は実験確認により後戻りあり• シミュレーションが再現性がなく、活用しきれていない• 系全体のモデル化によるシス
テムのシミュレーションによる設計• 混相流の相変化による熱輸送モデルのシミュ
レーション技術確立• 経験則に基づく定式化と実験による合わせ込み• 実際の現象解明も実験計測だけでは難しい

将来（10年程度）【必要技術等】• 混相流の相変化を含めた現象再現
可能な基礎解析技術• 実現象とシミュレーションの比較可能
な計測技術• ファン設計による熱交換シミュレーション技術確
立【必要技術等】• シミュレーションの大規模化• コンプレッサの動力学モ
デルのシミュレーション技
術構築• シミュレーションの高速化（AI活
用も含む）• 現象理解による要素設計の効率化• 設計の後戻りの削
減• 効率向上25• リアルタイムシミュレーションによるシステム制御への活用• 実現象再現によるシステム
全体設計の効率向上• センシングデータを活用した保守運用の効率化…

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【建設・機械】快適性・エネルギー最適化AI
テーマ：スマートシティー・ビル・ハウスにおける最適AI制御• スパコンとIoTセンサをリアルタイムに接続し実データに基づくサイバーフィジカルモデルとAI制御：• 人の流れ、将来動態予測の推定• 気流、蓄熱、日射量の変動予測• インフラ、家屋の熱容量やエネルギー効率の予測

近い将来（数年程度）

現状• 単体のIoTセンサ情報に基づく個別機器の機械学
習と、それによる室内の快適空調制御（非スパコン）• スパコンを用いた流体解析による機器形状（ファン形状など）の最適化• 小規模の部屋、ビルのフ
ロア毎の快適制御、省エ
ネ制御• 中規模な領域のデータに基づいたサイバーフィジ
カルモデルシミュレーションとシミュレーションに基づいた最適制御【必要技術等】• 複数IoTセンサ情報とシミュレーションに基づく部屋・ビル
建屋状態予測AIの構築• 複数の部屋、複数ビ
ルビルフロアのエネル
ギー効率を考えた快適制御、エネルビーマ
ネジメント

26

【必要技術等】• 街・ビル中の全て
IoTセンサとクラウドをスパコンに接続、リアルタイム解析• 強化学習による街・ビル全体サイ
バーフィジカルモ
デルの生成• スパコン内のエー
ジェントによる予
測制御

将来（10年程度）• スパコン内に街・ビル全体のデータ駆動型の大規模サイ
バーフィジカルモデルを構築し、
IoTセンサデータと同時接続による現場再現と高精度な予測。
• 個別の現場機器を制御するクラウドとスパコンが密結合し、スパコンの予測に基づく、クラウド側の個別最適制御を実
現• ビル、街全体の人流予測に基づくエネルギー制御最適化、
個通流最適化• 快適性、移動効率とエネル
ギー効率の同時追求

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【建設・機械】 インフラシステム予測技術
テーマ：持続可能な社会を実現するインフラシステム予測技術• 社会生活を支えるインフラシステムを構成する各コンポーネントの性能・挙動の高速予測• 環境問題まで含めたインフラシステム全体の性能・挙動の予測• シミュレーションツールの利用拡大

近い将来（数年程度）

現状• シミュレーションを用いたイ
ンフラを構成する機器(ポンプ，タービンなど）や環境(風力発電の局地的な気候予測)の個別の性能予測• システム全体の性能予測
は１Dなどの簡易解析• アカデミアのツールの利用は限定的• 解析時間がかかっている• 全体予測は精度が不十分• 設計者へのCAEの普及が不十分

将来（10年程度）【必要技術等】• AIを活用した予測技術• 富岳を利用した大規模解析• 使い勝手のよい解析ツールのエコシス
テム化• AI活用した機械学習による性能予測• 大規模シミュレーションを用いたシステム全体予測• GUIが整備されたシミュ
レーションツール• 予測時間の高速化• 全体予測の高精度化• 開発分野へのHPC
利用拡大

27

【必要技術等】• AIを用いた高速予測• 環境・社会活動
全体のモデル化• 富岳クラスの大規模計算機のエコシステム化• 超ビッグデータを用いた機械
学習に基づく性能予測• AIとシミュレーションとか連携した大規模システム予測• 富岳クラスが利用できるユー
ザフレンドリなシミュレーション
ツール• 社会の挙動の予測• 設計部門へのHPCの利用
拡大

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【建設・機械】内燃機関
テーマ：【輸送用機器】内燃機関の燃焼性能の高精度予測• 内燃機関を用いる輸送用機器、エネルギー機器の燃費向上、環境性能改善のためには、燃焼性能の高精度予測が必要• 燃焼器開発における性能予測を定性評価から定量評価へ。実験主体の開発からシミュレーションベース開発への転換を図る• 燃焼現象を精度よく再現して、エミッションの定量予測、多様な燃料に対応する汎用性を有する解析技術の実現を目指す• 対象はレシプロエンジン（ガソリン、ディーゼル、GE）、ガスタービン（航空用、産業用）の燃焼器を想定

近い将来（数年程度）

現状• 総括反応モデルを用いた乱流燃焼解析（RANS、
LES）• 乱流火炎の非定常挙動
やエミッションの予測精度は不十分• 機器の開発は実験主体。
燃焼シミュレーションは設計に十分利用されていな
い• 機器の開発は実験主体• シミュレーションは設計に十分利用されていない

将来（10年程度）【必要技術等】• 簡素化された化学反応モデルの構築• 実機試験データとの比較検証• 大規模解析技術の蓄積• 簡素化された化学反応
モデルを用いたLES解析
により、エミッション、着火現象等を定量的に予測• 実機複雑形状への対応• 噴霧燃焼（液体燃料）への対応• 設計利用には、社内計算資源で実行時間１日程度• 燃焼実験の一部をシミュレーションで代替• 開発期間の短縮• 環境性能の向上
28【必要技術等】• 詳細反応機構の数値モデルの開発と精度検証• 高効率な数値解析法• 詳細化学反応機構を用いた実機燃焼器内の乱流燃
焼流れ場の直接解析• 高効率、低公害燃焼器の設計に必要なエミッション生
成、着火・失火、燃焼振動現象の定量予測• 多様な燃料性状への対応• 乱流燃焼現象のメカニズム解明• 想定外の事象に対する安全性の確保• 実現象に近い設計法の確立

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【輸送機械】ガスタービン(ジェットエンジン)
テーマ：【輸送機械】ガスタービンの全エンジンシミュレータ• ジェットエンジン(航空用ガスタービン)では、信頼性確保、燃費向上のためには、負荷変化時のエンジン挙動の把握が重要• 発電用ガスタービンでは、太陽光発電などの再生可能エネルギーの普及により急速な負荷変動対応が必要• これらに対応するには負荷変動時に異なる物理現象を考慮して全体挙動を解明する全エンジンシミュレータ構築が必要

近い将来（数年程度）

現状• エンジンの各要素をモデル化した1次元モデルにより
全エンジンのシミュレーショ
ンを実施• 詳細な物理現象を考慮できない• モデル化の際に実験結果に基づく相関式が必要• 状態変化時のエンジン挙動把握が可能• 開発初期段階での活用が可能

将来（10年程度）【必要技術等】• 1次元モデルと3次元モデルを連成す
るソフトウェア開発• 計算機/ソフトウェ
アの解析速度の向上 …

• 1次元モデリングと3次元モデリングを組み合わせたエンジンシミュレータの構築• 強度解析のみ３Dモデリングを行い、流体、伝熱は1次元モデリングを用いるエンジンシミュレータ• 部分的だが詳細形状の影響評価が可能• 非定常シミュレー
ションの精度同上

29【必要技術等】• 大型エンジンにも適用可能な大規模解析技術• 計算機/ソフト
ウェアの解析速
度の向上• エンジン全体の3次元モデリ
ングによるシミュレーション• 流体解析、熱伝導解析、強度解析を連成して行うマ
ルチフィジックスシミュレータの実現• 大型エンジンなど構成要素の多いガスタービンへの適用• 非定常現象を考慮した高度なガスタービン開発• トラブル発生時の原因究明への活用、および、その対策立案の高精度化

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【建設・機械】空力・空力騒音
テーマ：【輸送用機器】実走行環境下における空力・空力騒音のダイレクトシミュレーション• 自動車の走行抵抗を低減して省エネルギー化（実燃費向上）を図るため、実走行環境下における空力特性の高精度予測
手法の実用化が望まれる。また、車室内の乗員快適性を向上するため、空力騒音の高精度予測手法の実用化も望まれる。
電動化に伴い、パワートレインからの騒音がなくなるため、その他の騒音対策が商品性向上に不可欠になる。

現状• 風洞試験を模擬した定常流下における空力特性を計算で評価している。
空力騒音に関しては、シミュレーション技術の開発段階にある。

• 自動車における実燃費の向上（空力）および乗
員快適性向上（空力騒音）。シミュレーション利活用による開発期間短
縮、製品性能・品質の向上。

近い将来（数年程度）【必要技術等】• ペタスケール計算機による大規模LESや格子ボルツマン法
によるCFDシミュ
レーション
・流体・構造等の連成解析• 空力特性を定量的に評価できる（空力シミュレーションの精度向上）。空力騒
音シミュレーションを実車開発で利活用できる。

• シミュレーションの効果・役割が増大（試作実験の削減が可能になる）30【必要技術等】• エクサスケール計算機による大規模
LESまたはダイレク
トシミュレーション• リアルワールドシミュ
レーション実現のためのビッグデータ活用 (例：実走行
条件データ同化、AI技術による設
計)

将来（10年程度）• 実走行環境下（風向・風速
変動、車両挙動、車両干渉）における高精度空力・
空力騒音シミュレーションができる。
• 多目的最適化による設計初期での全体俯瞰設計可能に• デザイナーとエンジニアが連携したコンセプトデザイン• シミュレーションの効果・役割がさらに増大（試作実験の大幅削減が可能になる）• 設計プロセスの革新

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「富岳」の活用
 将来ニーズの実現には、今年共用が開始された「富岳」を最大限活

用していく

現状

近い将来（数年程度）

将来（10年程度）

LESを用いた外装材の風荷
重評価(京コンピュータ実績)

実建物形状を再現したLESを用いた外装材の風荷重評
価(予測)

実建物形状を再現したLESを用いた外装材の風荷重評
価の機械学習(予測)・5500万格子点の計算を京コンピュータ(72ノード，576コア)で270時間／風向の計算を36
風向分実施する必要がある。
⇒576×270×36＝560万コ
ア時間

京コンピューター

・風荷重が問題となる実部材の再現には、18億格子点、時間刻み1/3、36風向分の計算を実施。
計算規模は現状の100倍。

100倍の計算能力「富岳」

・機械学習させるためのLESデー
タを用意するために、左記と同様の計算規模で、20種類の建物のバリエーションを計算する。
現状の2,000倍の計算規模。

1,000倍の計算能力
ポスト「富岳」

図：ニーズ実現に必要な計算量の見通し（高層建物の耐風設計・風加重等を最適化する外装材の形状設計支援）
31

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HPCハードウェアについての期待 産業シミュレーションロードマップの実現には、HPCハードウェアの性能向上が必要条件

 「富岳」および後継スパコンの整備に大きく期待 Capacity Computing的な利用にも配慮した、スパコンおよび利用環境の整備が望まれる

表：産業シミュレーションロードマップ実現に必要な計算性能（計算手法が想定可能等、計算性能を見積ることができるテーマを抜粋）

カテゴリ

建設

必要計算性能（現状の計算性能と比べて）

テーマ

近い将来
(数年程度)

都市・建築のレジリエンス強化

100倍

1,000倍

温熱環境

100倍

1,000倍

100倍～1,000倍

1,000倍～10,000倍

100倍

1,000倍

100倍～1,000倍

1,000倍～10,000倍

水素爆発（爆燃）
高層建物の耐風設計

機械

将来(10年程度)CFRP成形32

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HPCソフトウェアについての政府への期待 「重点課題」アプリの成果創出に向けて
 開発したアプリの継続的な維持・発展

 「富岳」、第二階層HPCI への移植と動作検証
 産業界の実課題へ適用性による評価

 産業利用成果のアプリへのフィードバック 継続的な維持・発展のためのエコシステムの構築

 利活用促進に向けた仕組みづくり
 利用支援の充実、産学人材交流の場

 「富岳」成果創出および利用課題における更なる連携強化
 企業ニーズに即した具体的な研究課題の設定

 複雑な現象の解明、革新的な計算手法…（→産応協ロードマップの活用）

 企業の課題解決に資する新たな技術の取り込み

 シミュレーションとAI, データ科学との組合せ、マテリアル革新力強化

 実験を通じた検証の強化

 成果の社会実装，分野振興のための学際的コミュニティ活動
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おわりに

引き続き産応協は、スーパーコンピューティング技術の普及と利活用促進
等に取り組んでいきます。

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