先達との出逢い

き ん け ん も の が た り

第二部

計算材料学の旅立ち
東北大学未来科学技術共同研究センター

川添良幸

1. 始まり

私が主張して作ったものですが、計第一原理シミュレーション計算プ

算材料学という言葉も私の造語で、ログラムの構築を始めました。当

今からちょうど22年前、平成2年それにもこだわりました。それは、時は、フラーレンが発見されたばか5月に、仁科先生に呼ばれて金研に短い程内容が広い、という私の持論りで、それに対する精密シミュレー雇っていただいた時に、私に与えらによるものです。当時は何も無かっション計算は大変困難でした。我々れた研究テーマは、「計算機シミュたのですが、今では、一般に計算材は炭素の様な軽い元素に対しては従レーションによる新材料設計と材料料科学と呼ばれるようになりまし来の標準的バンド計算で用いられるデータベース構築」で、出迎えてくれた。しかし、この 1 文字の差が大き擬ポテンシャルと平面波展開より、たのは、中名生、伊藤、和田の3名のいのです。私は、やはり、自分の卒原子軌道と平面波で全電子を扱う方志願技官でした。彼等は仁科先生等業した素粒子論・原子核理論が一番策が得であると気づき、定式化からの誘いで従来の金属加工等の業務を好きです。何かを論ずる、というレ数値計算用プログラム作成までを開離れ、材料データベース構築というベルの研究こそ大学でやるべきテー始しました。このシミュレーション全く異なる新たなテーマに参加するマであると信じています。次のレベ計算プログラムは、現在、TOMBOことになった人達でした。私を入れルが物理学等の広い範囲を網羅する（TOhoku Mixed Basis Orbitals abた4名の専任の職員と、木戸助教授等分野別学問で、何とか科学とか何とと呼ばれ、initio Simulation Package）が中心となって、熱心にこの幅広いか工学となれば、既に確立した分野東北大学の知財に認定されるまでにテーマで何が出来るのか、そのためを対象とするレベルになります。

なりました。こうして研究成果も出には何が必用なのか、を考えました。

計算材料学で、必用となる機材を始めた頃の平成 4 年に、やっと文部当時の将来計画委員会で、これだ検討すると、直ぐに専用のスーパー省から金研の概算要求が認められ、けの大きなテーマを成功裏に実施すコンピューターがなければ何も出来センターは設立出来ないが、スーるには、3部門規模の体制が必用であないことが明らかになりました。早パーコンピューターの買い取りがるという結論となり、不足する 2 部

速、2 番目に参加してくれた大野助出来ることになりました。2 年間の門は現在の計算材料学センターと寄教授と概算要求書作成に当たり、新国際競争入札過程を経て、1 ノード附研究部門を設置して賄うというこたなセンター設置を試みました。しの処理速度が 8GFLOPSで3 ノード、とになりました。これらの立ち上げ

かし、当時は大学附置の研究所にはト ー タ ル 24GFLOPS（カタログ値）

は、自分の部門さえまだ神山助手13 施設しか認められておらず、断念の水冷の日立S-3800システムが選ば名であったのですが、川添が担当すせざるを得ませんでした。日本アれました。当時、世界ランキング 26るしかありませんでした。何せ東北

イ・ビー・エム社からの寄附でいた位に入り、届いた証明書に大喜びし大学にはまだ寄附講座も寄附研究部だいた中型汎用計算機とワークスたのを覚えています。CPUのアド門もなく、その規程を作ることからテーションを使って所内のネットレスが 31 ビットだったため、メモ始めました。ナノ学会という名称もワーク環境を整備しながら、独自のリー量は 2 GBに制限され、それに比7KINKEN68-責2.indd 712.6.21 8:59:40 PM

べ CPUの処理速度が速く、メモリーされたことになります。驚くべき技ネックの状態でした。現在は、全く術の進展です。

逆で、メモリーは 64 ビットアドレッ
シングで実質無限大に積めますが、CPUは数年来クロック数が上がっておらず、処理速度の方が追いつかない状態になっています。

図1．4月16日に稼働を開始したばかりの本所の 4 代目スーパーコンピューター SR16000。
10 筐体並べるレイアウトは私の主張で、途中で変更したため、日立製作所には、1400 本以上もある光ファイバーの束をもう1回作り直してもらうことになってしまいました。

3. これまでの研究テーマスーパーコンピューターとは言っても、計算機のハードはただの箱です。借り物ではなく、他では出来ない高度な処理を可能とする真に良いシミュレーションプログラムを作成し、実行しない限り、良い成果は得

2. 安定運用に向けてられません。画竜点睛とでも言うべきものです。我々は最初、TOMBO初号機は買取でしたので、数年経によって、当時、C60 には原子を内つと他に比べて見劣りがして来ま包出来ないと言われていたのを、本した。電気代の方が本体価格より高学のプラズマの実験家である佐藤教くなると、さすがにそれ以上の延命授等と一緒にC60 を加速して原子には困難でした。しかし、2 号機の導ぶつけることで可能であることを示入は至難の命題でした。安定した計一方、施設化の方は、途中で公式しました。この成果は、当時、静的算機利用環境を確立するため、レンな施設数が 3 という制限はなくなっな物理量計算に止まっていた物性物

タル化の概算要求を行いましたが、たのですが、スーパーコンピュー理の世界で、トンボの様に軽く飛ぶ

これはある意味、無限大の予算要求ターがあるから良いのでは? と言TOMBOでは、第一原理分子動力学ですので、生やさしいものではありわれ、正式な施設の概算要求はなさを実行するという離れ業が出来る、ません。膨大な資料作成と頻繁にれず、他の新規案件が優先されたまと高い評価を得ました。

計算材料学の重要性説明を行って、ま、現在に至っています。年間約 7

自分が使い、良く知っているもの認められるまでに数年かかり、平成億円という膨大な予算が認められでなければ、他の人には勧められな

12年 度 に2 号 機のSR8000導 入 に 成ているのですから、早くきちんとしい。そのため、スーパーコンピュー功しました。空冷のCMOS機で、64た施設に格上げして欲しいものでターシステムの設計、導入、運用から、

ノ ー ド で 921.6GFLOPS, 20 倍 の 処す。幸い、本年 4 月から佐原准教授

シミュレーションプログラム作成、理能力と 20 倍のノード数となり、膨が専任となって活躍していますの実行と全てに関わりました。本所以

大に膨れあがりつつあったジョブで、従来の責任部門のみでの運用よ

前は本学情報処理教育センターで学処理に対応できる最適なシステム

り格段にサービス体制が改善する

生教育専門の計算機の運用に当たっとして歓迎されました。3 号機は 51とは思いますが、全国共同利用施設ていましたので、システム関係にはノードで7.5TFLOPSを出せる空冷のとしてのサービス体制充実にはま既に10年の経験がありましたが、さSR11000になり、さらに、この 4 月かだまだ人手不足です。より充実したらに、東北大学情報シナジーセン

ら稼働を開始した第 4 号機は、水冷人員体制実現を図っていただきた

ター長や本部事務機構情報部長を併で300TFLOPSという処理速度（リンいと思います。

任し、学内外の情報サービス全般もパック値）、42 TBのメモリー量です

経験に加えて、本所の計算機サービので、この約 20 年で約 1 万倍の高速スのグレードアップに努めました。

化と 2 万倍のメモリー量増大が達成

最近の計算材料学研究部門の出8

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版 論 文 数 と 引 用 回 数 を、Web ofす。まず、本所の多くの実験部門とScienceで検索した結果を図 2 に表示

仲良くさせていただき、そのご要望します。数が多いのは共同研究者がに対応したシミュレーション計算をたくさんいるからですが、引用回数実施し、共著の論文を出版し始めるが指数関数的に増大していて、自己ことが出来ました。

引用が少ないことは自慢です。この現日立製作所の橋詰さん（当時、中でも、図3 に原子構造を示す、京都本所助教授）との分子エレクトロニ

大学の北川先生と共著の金属 - 有機クス研究が、我々の大規模予算獲得

構造体でのアセチレンと二酸化炭素分離のNature 論文は、600 回を超える引用回数になっています。次に引用回数が多い論文は、ポーランドの計算材料学研究部門の年ごとの出版論文数。
何もないところからの出発でしたが、数年で立ち上がりました。年間 50 報で打ち止め、インパクトファクターの大きい雑誌にのみ掲載することにし、最近は平均が3を超えています。の最初でした。独自の電子伝導計算プログラムを開発し、他では出来ない高精度のシミュレーションを実行しました。現在もTOMBOに結合し、Parlinski 教授と共同研究した成果で継続的テーマとして実施中です。水ある格子振動の第一原理計算法に関素貯蔵材料と省インジウムITO探索するPRLですが、この手法は今ではに関する 2 つのNEDOプロジェクト理論計算の標準となっています。川は、この 2 月に終了するまでの 5 年

添は、平成2 年までは、教養部で物理にわたって、多くの人員が関わっての先生を生業としていましたので、研究に当たりました。図 4 に、究極

このような世界には全く関係ありまの水素貯蔵材料として我々が提案しせんでした。あこがれの金研に入れているクラスレート水和物の構造をていただき、最初にとまどったのは、辺りの教授の皆さんの素晴らしい業

引用回数は、5月15日現在、総計12,598 回ですが、自己引用を除いた11,070 回が重要です。

績でした。せっかく買ったもらったスーパーコンピューターですから、最大限に活用し、その元を取れるだけの業績を挙げたいと本気で仕事をしていました。プログラムが完成するまで徹夜で頑張ることが出来たのは若かったからですが、業績ゼロのままでは終わりたくなかったからでもありました。
図 2 ．計算材料学研究部門の出版論文数と引用回数。平成 2 年にスタートした当時は、実験部門を引き継ぎ、合金設計制御工学研究部門を名乗らざるを得ず、辺りからも何をしているのか不明で、大変苦労しましたが、途中で計算材料学研究部門と名称変更出来た頃には、もう既に業績も挙げられるようになっていました。

示します。何故、究極なのかというと、このクラスレート水和物が解け、水素が放出されて酸素と結合してエ

図 3．アセチレンと二酸化炭素を分離出来る金属 - 有 機 構 造 体。 有機 物合成の基盤材 料となるアセチレンは二酸化炭素とほぼ同じサイズのため 分 離 が 困難でした。それがこのMOF によって容 易に分離でき、工業的にも大変役に立つ成果となりました。

ネルギーを生み出すと、残るのは水だけになるからです。現在、数学の小谷教授と実験の阿尻教授と実施して いるCRESTは、数 学 者 が 代 表 の最初のプロジェクトで、sp2 結合のK4 対称性を有する新 3 次元炭素結晶の発見と存在可能性追求、実験家による安定化策の統合的な研究として大変興味あるテーマとなっていま

計算材料学の学問内容は、従来のす。多くの研究者がグラフェンの様実験主体の材料研究を基盤から考えな既にノーベル賞受賞となった対象直すための理論の確立と、それを実を研究しているのに対し、我々は独際の実用材料に適用するための大規

自の分野を切り開こうと必死に努力

模シミュレーション計算の実行で中です。

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いうテーマで、しかも、独自の定式まることの多いアジア地区で、独自化やプログラム作成を要求すると国の定式化とプログラム作成、さらに内では人材は限られてしまいます。

はスーパーコンピューター利用によ自然と諸外国との交流が広がって行る共同研究推進というコンソーシアきました。中国復旦大学の顧問教授、ムであるACCMSはアジアの研究者

インド材料学会の名誉会員等にもしに大変歓迎されました。最初は、日ていただきました。このような一見頃のインターネット上での共同研究意味のなさそうなことが実は功を奏と2年に1回の実際の会議（オフといして、相手方から極めて優秀な人材う）でスタートしたのですが、今年を派遣してもられるようになったの

度は 3回の国際会議が企画されるまが、研究室の一番大きな収穫です。

でになりました。7月にインド国バ

一頃は助教授、助手、ポスドクからンガロール、11月に本所、1月に台湾学生まで外人ばかりの研究室になりで開催予定です。特に、仙台での会ました。こうなると、英語はもうど

議は、ACCMS -VO（仮想組織、計算うでも良くなり、イラン人同士はペ機用語で、インターネット上での仮ルシャ語、北インド人はヒンズー語、想的な研究組織を言う）のオフミー

南インド人同士はタミール語で話ティングとして毎年開催されるようす、という状況になります。新入りになりました。川添は創始者という金研で雇っていただいた平成 2 年、には母国語が一番で、スーパーコンことで全てに関わっていますが、実全国共同利用の研究者に外国人を入ピューターの使い方からネットワー行は各国にお願いしています。今後、れて提出したところ、それは別枠でク接続まで各国語での入門がなさ本所では水関准教授中心の開催とな入れられない、と言われてびっくりれ、大変に効率的でした。この人達りますので、皆様、ぜひ、ご支援のほしたのを覚えています。全国とは日が松島の多国語案内板を作るのに協ど、よろしくお願いします。

本全国で世界ではない! 世界の金研力してくれたり、インテリジェントだったのでは? この後、世界の金研

コスモスの 10カ国語パンフレットののため、imr.eduドメイン取得に奔走作成も行ってくれました。

図 4．究極のクリーンなエネルギーキャリアである水素輸送 用のクラスレート水和 物。
自然界にはメタンガスを含むハイドレートが大量に存在し、次世代エネルギー源と考えられていますが、メタンガスの代わりに水素分子の貯蔵可能性を検討しています。もちろん、実用化を目指し、出来る限り、常温・常圧での貯蔵材料を探索しています。

4. 国際化とアジア計算材料学コンソーシアム
ACCMSの設立することになります。それは、米国

平成 11年、仙台で開催された東北の 大 学 が 全てmit.edu、stanford.edu

大学の一大イベントで、国際共同研と世界の大学のドメインを所有して究の充実が取り上げられました。国いるのに対応した状態にしたかった

際会議とか言っても少人数の外国からです。この業務実現は大変困人の参加に止まることの多い日本難だったのですが、幸い、鈴木所長で、我々は最初から外国人半分の状に呼ばれて天皇陛下ご参加の晩餐会態でしたので、我々のアクティビに出た、という情報を米国のドメイティが認定されました。この機会

ン管理者に伝えて認めてもらうことに、アジア計算材料学コンソーシアに成功しました。計算機シミュレー

ムACCMSの立ち上げがなされましションによって新材料を設計するとた。欧米のソフトウェアの利用に止図 5．アジ ア 計 算 材 料 学 コンソーシアム
ACCMS-VO のオフミーティングの集合写真。
10 年前に仙台で 30 名規模で始まった国際会議が、今では毎回100 ～ 300 名を集めるまでに発展し、本所発のアジア地区の重要な集まりと認識されるようになりました。

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