HPC技術ロードマップ(初版)

2023年5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)
HPCロードマップWG
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本資料は、2021年7月に公開した「産業シミュレーション
ロードマップ(第二版)」をベースに、必要技術・必要性能の見直しや追記などを行い、HPCシステム(ハードウェア/
ソフトウェア）全体を網羅した技術資料として作成をした「HPC技術ロードマップ」の初版である。

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目次 産応恊について
 シミュレーションの活用と効果
 HPC技術ロードマップについて（作成の背景など）
 シミュレーションの現状と将来
 材料・化学分野
 建設・機械分野

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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＞【2023年4月現在】
正会員：14社
賛助会員：2社・1団体
協力会員：1社
登録会員：917名

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会員企業・団体
正会員(株)ＩＨＩ

鹿島建設(株)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

東レ(株)

日本電気(株)(株)日立製作所

富士通(株)

みずほリサーチ＆テクノロジーズ(株)三菱ケミカル(株)三菱電機(株)準会員（賛助会員）
住友化学(株)(公財)鉄道総合技術研究所（特定非営利）ＣＡＥ懇話会

準会員（協力会員）(株)大和システムエンジニア

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2023年度体制（連携）

運営委員会（全体統括）

HPCIｺﾝｿｰｼｱﾑ（代表・理事派遣・提言）

事務局

企画委員会（全体企画・戦略的活動・提言とりまとめ・広報）
展開

HPCﾛｰﾄﾞﾏｯﾌﾟWG
SWG

SWG

SWG

連絡会
（ｺﾐｭﾆﾃｨ活動戦略）

施策提言WG

主査会

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

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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〕
 「富岳」をはじめとするHPCIの産業利用と利用支援について（提言）〔2022/6/28〕

 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〕
 産業シミュレーション・ロードマップ第二版〔2021年7月1日公開〕

 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

16

2732

産応協セミナー（旧スパコンセミナー）

2006年

51

2940

産応協スクール（旧産業利用スクール）

2009年

30

469

ものづくりワークショップ

2013年

15

387

中小企業技術交流会(対話交流会)

2014年

7

467

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産応協が目指すもの
HPC技術*を活用し、地球との共生を図り、サステナブルな社会を目指す

HPC技術の利活用・普及＊HPC技術：従来からのシミュレーション技術に加え、データサイエンス、AI等の新技術も含めたものとして定義する
7

Copyright 2023 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
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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 2023 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

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部屋スケール

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HPC技術ロードマップ作成の背景
 2021年に作成した「産業シミュレーションロードマップ」にHPCハードウェア関連情報を追加することでHPCシステム(ハードウェア/ソフトウェア）全体を網羅する。
 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。
 高分子材料分野においては、空間スケールは「富岳」で拡大したが時間スケールは十分とはいm

空間スケール
空間ス
ケール

mm

「
富岳」
が得意

えず、更に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。
 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。
リアルタイムシミュレーション
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

デザインを変更 ⇒ 1 click で瞬時にCd値予測【 デザイン検討 】
デザイン変更平均場理論

μm

絡み合い動力学nm

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

ns

μs

【 現象】

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

1 click【 性能 】

Cd値

時間スケールリアルタイムシミュレーション
高分子材料の計算手法の位置づけ（東レ）（日本自動車工業会）「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
時間スケール

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HPC技術ロードマップの検討
HPC技術ロードマップ
有識者 製品等を通じたシミュレー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/ソフトの技術動向ヒアリング調査
産業界
産応協メンバー
企業
その他の企業 それに向けて各企業で行うべ• 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

提言
政府・アカデミア
産業界のニーズを考慮した施策の検討
施策の実施

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)

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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ポスト「富岳」時代のHPC利用イメージ
 ポスト「富岳」時代では、フラグシップシステムを含めた様々な特徴を持ったスパコンを各利用者の用途に合わせて組み合わせて利用する形態になる。
 研究開発やプロダクション・ランなど、用途によって利用する計算機は異なるものになるが、シームレス(*)に利用できることが求めら
れる。
クラウド
特徴ある
スパコン
A社の
計算機

フラグシップ
システム

B社の
計算機

C社の
計算機

シームレスに
利用可能

利用者A

利用者B

利用者C

(*) ここでは、計算機の違いを意識せずに同一のユーザーインターフェースで利用できることを指す
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Copyright 2023 Industrial Committee for SuperComputing Promotionシミュレーションの現状と将来
材料・化学分野

将来のシミュレーションニーズ(材料・化学分野)
 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

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

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

数値押し出し機（ポリマー材料の構造と物性）

適用製品・効果

進捗等(旧版より)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。
また、企業活動においてサステナビリティ(CN/CE/LCA)への取組みも求められてきている点を追記。
CN (Carbon Neutral),
CE (Circular Economy),
LCA (Life Cycle Assessment)

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【材料・化学】材料設計DXの将来像
 材料・化学分野ではマテリアルズ・インフォマティクス(MI)が急速に進展 AI技術の進歩により、MI（データ駆動型材料設計）が材料設計技術のデファクト化

 シミュレーションへの期待は、新材料そのものの予測・解析だけでなく、MI物性予測モデル

大量データ型

独自データ活用

安価な大量データ• 公的・学術データ• 汎用ロボット
コモディティ化

高価な少量データ
高精度化
転移学習 • 自社実験データ
汎用化• 特製ロボット
自社の強みの見極め

データ生成
汎用計算技術

特徴量抽出

新材料物性予測（ドメイン知識）独自計算技術

競争力ある独自素材

データ駆動（狭義のＭＩ）の学習データ源として、定型ジョブ大量実行のニーズが増加
 さらに、自律型ラボ（ロボット）の進歩と合わせて、従来型ラボ／自律型ラボ／高精度シミュレーション／汎用・大量シミュレーションの組合せによる新しい材料設計技術が進展

シミュレーション：汎化性能（予測性）の活用
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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• 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• 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

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CAEと組
み合わせ⇒デジタルツイン• CN/CE/LCAに関わる現象(分解・劣化)のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

大量計算～ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝDB構築(機械学習/AIとの融合)、新方法論開発
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
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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/分解における反応モデリング」• ポリマー重合/分解における主反応・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を有する反応速媒反応経路探予め想定した反応経度定数が高速に計算可能
索（孤立系）
路に沿った遷移状態• 凝集系の自由
探索【必要技術等】エネルギー面探• 非経験的な副反応の・凝集系の化学反 • インフォマティクス技術や熱索手法の一般探索は困難、遷移金 【必要技術等】
応経路探索
流体解析との練成によりプ化
・化学反応経路探属の計算精度が不十・Beyond DFT
ロセスシミュレーションが可能•
DFT汎関数の索分。
・機械学習ﾎﾟﾃﾝとなる。触媒設計のみなら
高精度化・凝集系の化学反
ｼｬﾙ～AI手法
ず、パイロット設計や生産条
応ダイナミクス，自・DB構築，データ件最適化などに活用範囲• 想定反応経路に基づ
由エネルギー面探• 解析対象拡大
解析
が拡大(デジタルツイン)
く実験結果の解釈、作索
スクリーニング・熱流体解析との• CN/CE/LCAに関わる現象
業仮説の構築
・DFT高精度化
高精度化によ連成(分解・劣化)のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ• 触媒候補の１次スクる高効率触媒 ・ソフトウェアパッ
リーニング
設計の実現
ケージ化
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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、劣化反応など

近い将来（数年程度）
現状• 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探索は困難、遷移金
属種の計算精度が不十分
・作業仮説の構築・検証による実験結果の解釈、分子設計指針の提示【必要技術等】・GRRM法の表面反応系への拡張・並列化効率の高い
電子状態計算プロ
グラム
・遷移金属系の化学的精度改良
・プリ／ポスト処理環
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

・解析対象が拡大し、副反応機構などの理解が進展

18【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・機械学習ﾎﾟﾃﾝ
ｼｬﾙ～AI手法
・DB構築，データ解析
・熱流体解析との練成・ソフトウェアパッ
ケージ化

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(デジタルツイン)• CN/CE/LCAに関わる現象(分解・劣化)のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

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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）（数年程度）

近い将来

現状• 1分子の光吸収や発光波長については、制約はあるが定量的に予測可能。スペクトル
形状、強度の定量的予測は困難。また光化学反応の解析は限定的・化合物のスクリーニング
や現象解明のツールとして活用【必要技術等】TDDFTの汎関数・手法開発・高速化
・高精度励起状態計算の高速化・新手法開発（無輻射失活速度、大きな構造緩和、項間交差を含む反応）
・GRRMとリンク• 励起状態における構造、スペクトル形状、無輻射過程、発光量子収率がある程度定量 【必要技術等】
的に予測可能 ・定量的励起状• 凝集系における 態計算の大規模化
光反応の網羅的探索に理論 ・凝集系における励起状態シミュ
的な目処
レーション
・機械学習ﾎﾟﾃﾝ
・スクリーニングのｼｬﾙ～AI手法
確度向上
・DB構築・データ・光劣化反応の解析
理解に基づく作・ソフトウェアパッ
業仮説構築
ケージ化
19

• 会合体構造や化学的雰囲気が考慮された凝集系
における光物性・光化学反応性が予測可能

・光吸収が関わる実験を計
算が一部代替、インフォマ
ティクスを活用した 机上分
子設計の大幅な確度向上(デジタルツイン)
19
・光劣化反応の機構理解に基づく光劣化制御、耐久性を与件とした分子設計(CN/CE/LCAに関わる現象解明も含まれる)

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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• 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索に時間がかかる・化合物のスクリーニング
や現象解明のツールとして活用

近い将来（数年程度）【必要技術等】・凝集構造記述の為の分子間相互作用の精度向上・モンテカルロ法などの効率よい構造サンプリング
・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のうち、易動度など基本的な
物性の計算が可能・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
20【必要技術等】・界面構造モデルの構築
・機械学習ﾎﾟﾃﾝ
ｼｬﾙ～AI手法
・より複雑な素過程に対する分子論モデルの確立

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(デジタルツイン)• 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(CN/CE/LCAに関わる現象解明も含む)

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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。
21【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
ロセス因子の自動取得・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。
• 要求特性からバックキャスト
した高機能／低コスト材料の設計(デジタルツイン) 。

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将来のHPC環境に対する要望（化学・材料分野）
観点①：数値演算能力だけでは解決できない、本質的な技術課題への取組み（本質的アルゴリズム開発、AI的手法(データ駆動型)、計算モジュール結合の実現 等）

技術課題(例)

応用例

エネルギー面上の停留点探索

安定構造＆遷移状態探索

レアイベントサンプリング効率化

化学反応メカニズムの理解

エネルギー計算の高速化

長時間ダイナミクス対応,機械学習ポテンシャル(MLP)

エネルギー計算の高精度化

電子相関や弱い分子間相互作用の高精度化

時間発展演算の抜本的高速化

長時間ダイナミクス対応

スケール間連携

実用材料のマルチスケールな理解

計算データ自動生成＆データ駆動

多目的最適化,MI(転移学習、データ同化…),MLP

観点②：HPC活用についてのコストパフォーマンス向上

期待成果（技術課題の克服）
コストパフォーマンス=
UXの改善 ←ここを後回しにすると普及しない

実行環境への要望
UX整備

現状の課題
ポータブル/シームレスな環境(例：コンテナ技術、容易なライブラ
リ環境構築),柔軟なワークフロー構築(例：pythonスクリプトと計算エンジンの連結)
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Copyright 2023 Industrial Committee for SuperComputing Promotionシミュレーションの現状と将来
建設・機械分野

将来のシミュレーションニーズ(建設・機械分野) (1)【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

シミュレーション対象

適用製品・効果

極端気象下の都市・建築のレジリエンス強化

極端気象下のマルチハザード（強風・洪水・猛暑）の被害推定、新しい対極端気象災害設計法の構築、スマートシティ実
現のための都市OS構築への貢献

都市・建物まわりの温熱環境
予測

スマートシティの重要な要素である温熱環境をリアルタイム・精緻に解析

確率論的地震ハザード評価

日本全国を対象にした確率論的地震ハ
ザード評価

気象解析

極端現象の予測、高解像度な短時間予測・長期間予測、大規模アンサンブル
短時間予測・長期間予測

風荷重

実建物形状を再現したLESを用いた外装材の風荷重評価

温熱環境

気候変動を考慮した建築設備の省エネ
設計、自然共生社会・低炭素社会の実
現、マルチスケール＆リアルタイムシ
ミュレーション

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進捗等(旧版より)

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、旧版で選定したテーマを見直し。

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将来のシミュレーションニーズ(建設・機械分野) (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
機械

建設・
機械分野
輸送機械

シミュレーション対象

適用製品・効果

CFRPの成形から構造信頼性を評価する構造解析技術

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
レーション

空調等の冷凍サイクルのシステム全体の設計から保守・運用までを高度化

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

内燃機関の燃焼性能の高精度予測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

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

空気抵抗低減、快適性向上など

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進捗等(旧版より)

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、旧版で選定したテーマを見直し。

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

・極端気象下のマルチハザード(強風・豪雨・豪雪・洪水・猛暑)を想定した被害推定と精度検証
・新しい対極端気象災害設計法の確立とスマートシティ実現のための都市OS構築への貢献
将来（10年程度）
近い将来（数年程度）
現状（2017年当時）
・極端気象下のマルチハザード
・数値解析による風荷重
評価の精度検証と実務での活用
・広域都市モデルの影響を考慮した設計風速の研究
・数値解析による風荷重
評価手順確立(国交省
基整促）
・広域都市モデルを用いた設計風速評価法の確
立(都市・建築CFDコンソーシアム)【必要技術等】• 極端気象予測・気象アンサンブル解析• 広域都市モデルの
CFD高速化• 風速・降雨量の確率モデルの構築
• 気象解析と内外水
氾濫解析の連携• 熱中症リスク評価

京コンピュータ・風荷重のLES(0.5億格子)
・台風などの極端気象予測(数億格子)・全球モデルによる長期予測(数億格子)

・種々の温暖化シナ
リオに基づく極端気
象解析の研究・極端気象下の都
市・建築スケールの強風・ 洪水・ 温熱
解析の研究
・解析結果の検証

・極端気象下の強風・降雨の再現期
間評価法
・極端気象下での耐風・耐水性設計法の構築【必要技術等】• マルチハザードの解
析技術の高度化• モニタリング技術の高度化と観測結果のデータ共有• 局地的な強風・豪雨などの気象予測
情報のデータ共有

100倍の計算量(富岳)・精緻なモデルによる風荷重のLES(数十億格子)・高解像度の気象解析(数百億格子)・大規模ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ(数億格子×百ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ)26を想定した多目的設計探査
法の研究
・各種解析結果のデータベース
化と機械学習の研究・迅速な避難誘導を実現するためのモニタリングによる観測結果を活用したリアルタイムシ
ミュレーションの研究
・社会実装のための実証研究

・極端気象災害対応における機械学習の活用・極端気象災害に伴う人命や経済損失の低減への貢献

数千倍の計算量(ポスト富岳)
・様々な建物の風荷重ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ構築と機械学習
・超高解像度の気象解析(数千億格子)
・超大規模ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ(数億格子×千ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ)

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【建設・機械】都市・建物まわりの温熱環境予測
 都市・建物まわりの温熱環境予測

スマートシティの重要な要素である温熱環境をリアルタイム・精緻に解析・リアルタイムでの温熱環境評価
・広域スケールおよび気候変動を考慮した予測・評価
・自然共生社会、低炭素社会への貢献
近い将来（数年程度）

現状
・放射・対流連成解析による室内 ・ 外の 温 熱環
境把握・気象モデルによる年間温熱環境評価
・RANSを中心とした解析・ 空 調 機 器等の 設 備 設計、効果的な自然換気
設計
・ ヒー ト アイラン ドの 緩和（風の道、植栽、人工排熱の検討）【必要技術等】・気候変動シナリオを考慮した都市温熱場の解析手法・気象・都市のシーム
レスな解析手法

・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
・気候変動を考慮した将来の年間温熱
環境評価
・高度な温熱環境の予測による快適性向上
・気候変動を考慮した建物設備の省エ
ネ設計
27【必要技術等】
・高度なモニタリング
技術
・サロゲートモデル等の高速計算技術・データサイエンス＆ビッグデータ活用技
術（AI技術、データ同化）

将来（10年程度）
・デジタルツインによるリアルタイ
ム予測（モニタリング、高速計
算、AIの融合）・環境未来都市モデルの試設計（緑地、水域、建物配置など都市計画の最適化）
・人体生理シミュレーションに基づく屋内外の熱的快適性評
価・都市全体のエネルギーシミュ
レーションによる低炭素化社
会の実現
・人と自然との共生を考慮した
未来都市の実現

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【建設・機械】確率論的地震ハザード評価
 確率論的地震ハザード評価

・日本全国を対象にした確率論的地震ハザード評価を行う。
・現状は地震動の最大値だけで評価されているが、将来的には地震波形による評価を目指す
・将来的な地震ハザード評価に必要な深部地盤DBや地震動解析結果DBの整備は国や国研が実施する可能性があるが、解析は民間が実施する可能性は高い
将来（10年程度）
近い将来（数年程度）
現状
全国1kmメッシュの地震波形
個別地点の地震動スペク
トルによる評価
・距離減衰式による評価
・国で長期評価されている活断層と海溝型地震に対するハザード評価
・震源不特定地震に対するハザード評価
・距離減衰式は既往のものを使用
一様ハザードスペクトルによる評価
・別途計算で地震波形を作成できる・構造物の耐震設計に利用できる【必要技術等】・38万点に対する
活断層 等の デ ー
タベース化
・地点間相関を取る技術の確立・表層地盤デ ー タ
整備

全国1kmメッシュの地震
動スペクトルによる評価
・国による全国38万点のハザード（活断層、海溝型地震、震源不
特定地震）並列計算
・地点間の相関を考慮
・距離減衰式は既往のものを使用

一様ハザードスペクトルによる複数点の相対評
価が可能
・重要構造物における地震 動 環 境に 対す る 立
地の選定
・自治体等による広域の地震対策の優先順位
の策定
28

による評価
・全国38万点に対する地震波
形（活断層、海溝型地震、
震源不特定地震）を評価【必要技術等】
・深部地盤デ ー タの整備
・膨大な数の３次
元広域地震動解
析(差分法や
FEM) ＋ 確 率 的評価を実施するシステムの構築

確率論的評価に基づく設計用
地震動を作成できる・より合理的な耐震設計が可
能・自治体等による広域の地震対策のより合理的な優先順
位の策定

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【建設・機械】気象解析
 将来ニーズの実現のため，「富岳」を最大限活用していく
近い将来（数年程度）

現状

メソスケール～総観スケール（台風，
爆弾低気圧など）の極端現象の予測（数億格子）高解像度な短時間予測・長期間予測（数百億格子）全球モデルによる長期間予測（数億格子）大規模アンサンブル短時間予測・長期間予測（数億格子×百アンサンブ
ル）・数km解像度の気象モデルによる台風，
爆弾低気圧などの5日程度先の挙動の予測が可能。メソスケール～総観スケールの極端現象に対する防災に活用。

・数十km解像度の全球モデルによる再解
析データセット，将来予測データセットの作成が可能。気候変動影響評価に活用。

・メソの大雨・強風を高解像度（数百m）で予測。地域スケールの大雨・強風対策，
避難行動に活用。
・高解像度（数km）な長期間予測によるメソの再現精度が高い再解析データセッ
トの作成が可能。

・数時間先のメソの極端現象を確率論的に予測。大雨・強風対策，避難行動に活用。
・各種の温暖化シナリオ・気候モデルに基づ
く将来予測データセットの作成が可能。

100倍の計算能力
京コンピューター「富岳」

将来（10年程度）

超高解像度な短時間予測・長期間予測（数千億格子）・ミクロ～メソの局地的な大雨・強風を超高解像度（数十m）で予測。ピンポイントの
大雨・強風対策，避難行動に活用。
・超高解像度（数百m）な長期予測によるミクロ～メソの再現精度が高い再解析
データセットの作成が可能。構造物の設計用外力（大雨・強風）評価に活用。

超大規模アンサンブル短時間予測・
長期間予測（数億格子×千アンサンブル）

・24時間先のメソの極端現象を確率論的に予測。早期かつ合理的な大雨・強風対策，
避難行動に活用。
・各種の温暖化シナリオ・気候モデルに基づく
多ケース・多モデルの将来予測データセットの作成が可能。不確実性を考慮した合理的な気候変動影響評価に活用。

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（気象解析）
29

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【建設・機械】風荷重
 将来ニーズの実現のため，「富岳」を最大限活用していく

現状
LESを用いた外装材の風荷
重評価(京コンピュータ実績)
・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

近い将来（数年程度）

将来（10年程度）

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)・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

・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「富岳」

ポスト「富岳」

図：ニーズ実現に必要な計算量の見通し（風荷重）30

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【建設・機械】温熱環境
 将来ニーズの実現のため、富岳クラスの高性能並列計算機および高速な大規模ストレージ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）

任意な気象場を対象とした都市スケールの広域計算と建物スケールの融合解析

気候変動を考慮した建築設
備の省エネ設計

自然共生社会・低炭素社会の実現
・未来都市の試設計（複数の都市モデル×都市全体のエネル
ギーシミュレーション）

・RANSを中心とした解・ヒートアイランドの緩和（風の道の確保、植栽効果）

・高度な省エネ設計のためのパラスタ計算（室内外連成解析×
数百ケース）
・気候変動を考慮した気象モデ
ルによる年間温熱環境評価（数億格子×境界条件×365日間）

数十倍の計算量
京コンピューター

マルチスケール＆リアルタイムシミュ
レーション
・リアルタイム予測（AI/機械学
習, 観測データの同化）

数百倍の計算量
富岳クラス＋高速大規模ストレージ

図：ニーズ実現に必要な計算量の見通し（温熱環境）
31

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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• 積層構造を評価することが普通となっている• 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）

100～1,000倍の計算能力
多層１要素を1層１要素でモデル化、肉厚もの
32【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）

1,000～10,000倍の計算能力
複数部品、システム全体解析

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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（温水暖房の熱源ヒートポンプ化を含む）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、冷媒-水熱交換器の最適設計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33• 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】健康・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
将来（10年程度）• 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• スパコン内に街・ビル全体の• 空気質の保証
データ駆動型の大規模サイ
近い将来（数年程度）
バーフィジカルモデルを構築し、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【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• 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• 新しい働き方に即したエネルギーマネジメント：
設備可動マネジメントによるエネルギー効率化・
最適化• 利用者数、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

34【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

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• 換気、逆浸透膜利用、ウィル
ス不活化による空気質改善

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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

35

【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）で実機複雑形状に対応した評価を実施• 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• 噴霧燃焼（液体燃料）、水素・アンモニア
燃焼への対応• 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

36【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• データベース構
築・データ解析• 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• AI/機械学習との融合による燃焼反応計算の高速化• 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• カーボンフリーエンジン設計の実現

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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

37【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• データベース構
築・データ解析• エンジン全体の3次元モデリ
ングによるマルチコンポーネン
ト統合シミュレーション• 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• AI/機械学習との連携による設計・最適運転条件決定システム構築（デジタルツ
イン）• 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• 全エンジンコンポーネント統合最適設計

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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。

将来（10年程度）

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）38【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)• 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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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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