ポスト「京」と世界の動向	

日本原子力研究開発機構
井戸村泰宏
Plasma Conference 2014, 計算科学研究部会第2回総会
新潟、2014年11月5日
nn

ポスト「京」に関して
日米エクサスケールアプリケーションワークショップ報告参考）国際動向

エクサスケールシステム開発に向けた国際動向	

ピーク演算性能（フロップス）
フラッグシップ-2020
プロジェクト1810（1ｴｸｻ）
天河2号
後継機

1710TITAN

天河2号

エネルギー省の計画

Coral
プロジェクトTrinity

Human
Brain
Project

「京」

1610～
～

日 米 欧 中

’10

’12

’14

’16

’18

’20

’22

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年度

フラッグシップ2020プロジェクトの開発方針	
開発方針○ 以下の４つの基本的設計方針の下、・システムとアプリケーションのCo-designにより、社会的・科学的課題の解決に貢献できるシステムを実現する。
・具体的には、２０２０年までに、世界トップレベルで幅広い分野の重点課題に対応できる汎用のシステムを実現し、エクサスケールを目指す。
• 課題解決型– ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的課題（重点課題）及びターゲットアプリケーションに基づく基本設計– アプリケーション開発者と計算機システム開発者の協調により、アプリケーション及びシステムを協調設計(co-design)• 国際競争力– 幅広いアプリケーションに対して高い性能電力比を有するハードウェアを構築し、性能電力比で国際競争力のある汎用マシンを実現する• 「京」の資産継承– 「京」の後継機として、「京」で確立された技術・人材・アプリケーション等を最大限活用• 性能拡張性– ２０２０年以降も半導体技術の進展等に応じて効果的・効率的に性能拡張できる システム
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システムと開発の概要	
システムと開発の概要○ＣＰＵ• 汎用CPUを用いたメニーコア型アーキテクチャ→高い汎用性、幅広いアプリ実行に利点。
• ネットワークインターフェイスをチップ内に内蔵→高い通信性能、大規模並列処理に利点。
○ネットワーク構造• 「京」の多次元トーラスネットワークトポロジを踏襲→高い移植性、京の資産を生かす利点。
＜要素技術開発の要点＞○ 我が国が強みを持つコア技術は確保した上で、汎用品の活用や国際協力の推進により、効果的・効率的に開発。
○ 規格化を図ることによりユーザの利便性が高まるシステムソフトウェアは、米国と協力しながら開発。

システム構成のイメージ

I/O ネットワーク

…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…

＜システム構成＞

メンテナンス
サーバ

ポータル
サーバ

ログイン
サーバ

階層型ストレージシステム:インターコネクトネットワーク: 計算ノード

ポスト「京」で想定されるシステム
ソフトウェア群
システムソフトウェアとは、ハードウェアを管理・制御し、アプリケーションプログラムを安全かつ効率よく実行するための環境を提供するソフトウェア群をさす。 3

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題
本検討委員会の概要についての検討委員会	
今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討WGについて○趣旨
スーパーコンピュータ「京」の次を担うポスト「京」については、⼤大規模な研究開発プロジェクトであり、そこから⾼高いインパクトのある成果を創出することが期待される。スーパーコンピュータで解決できる問題は、基礎科学から産業利利⽤用まで幅広いものであるが、ポスト「京」においては、国家基幹技術として国家的に解決を⽬目指す社会的・科学的課題に優先的に取り組むべきである。
こうした状況を踏まえ、ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的課題や課題解決による早期の成果創出に向けた研究開発体制等を検討するため、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題についての検討委員会を設置。

○検討経緯●第１回（平成26年年4⽉月4⽇日）検討委員会の設置について
ポスト「京」プロジェクトについて
将来のHPCIシステムのあり⽅方の調査研究（アプリ分野）からの報告
関係府省省庁における計算科学技術に対するニーズについて●第２回（平成26年年5⽉月30⽇日）
ポスト「京」の社会的・科学的課題の考え⽅方
アプリケーションの研究開発体制について●第３回（平成26年年6⽉月19⽇日）
ポスト「京」の計算資源配分の考え⽅方
ポスト「京」の社会的・科学的課題●第４回（平成26年年7⽉月24⽇日）
ポスト「京」の社会的・科学的課題の取りまとめ案●第５回（平成26年年8⽉月20⽇日）
報告書取りまとめ○検討委員会メンバー
安⻄西 祐⼀一郎郎 （⽇日本学術振興会理理事⻑⾧長）
関⼝口 和⼀一 （⽇日本経済新聞社論論説委員兼産業部編集委員）
内⼭山⽥田 ⽵竹志 （スーパーコンピューティング技術産業応⽤用協議会運営委員⻑⾧長 瀧澤 美奈奈⼦子 （科学ジャーナリスト）
トヨタ⾃自動⾞車車代表取締役会⻑⾧長）⼟土屋 裕弘 （⽥田辺三菱菱製薬代表取締役会⻑⾧長）⼤大隅 典⼦子 （東北北⼤大学⼤大学院医学系研究科教授）○ ⼟土居 範久 （慶應義塾⼤大学名誉教授）◎ ⼩小宮⼭山 宏 （三菱菱総合研究所理理事⻑⾧長）⼟土井 美和⼦子 （独⽴立立⾏行行政法⼈人情報通信研究機構監事）
城⼭山 英明 （東京⼤大学公共政策⼤大学院院⻑⾧長）
林林 春男（京都⼤大学防災研究所巨⼤大災害研究センター教授）
住 明正（国⽴立立環境研究所理理事⻑⾧長）平尾 公彦 （理理化学研究所計算科学研究機構⻑⾧長）（◎：主査、○：主査代理理）（合計13名）（50⾳音順）

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プロジェクト概要	 プロジェクト概要（第1章）【プロジェクトの⽬目的・狙い】

国家的に解決を⽬目指す、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題を予め選定し、• これら課題の解決に資するアプリケーションの開発や課題に関する研究開発の推進に必要な体制を構築するとともに，• これらのアプリケーションとポスト「京」のシステムアーキテクチャ、システムソフトウェア等を協調的に設計開発（コデザイン）し，更更には，これらのアプリケーションを利利活⽤用して⾏行行う重点課題に関する研究開発に対し，ポスト「京」の計算資源を重点的に配分する，ことを通じて、戦略略的にポスト「京」を活⽤用し、世界を先導する成果の早期創出を図るとともに、ポスト「京」システム全体として成果を最⼤大化し、国際競争⼒力力のあるシステムを実現することを狙いとする。

【プロジェクト推進スケジュール】
調査研究・準備研究フェーズ（H26年年度度）（H26〜～H27年年度度）
⽴立立上げ準備• 課題決定• 開発体制⾻骨⼦子決定• 実施計画策定• 開発着⼿手本格実施フェーズ
（H28年年度度〜～）• 開発推進▲代表機関公募（年年度度）

H26

H27

H28

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題の選定⽅方針（第2章）の選定方針	
ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的課題は、以下の３つの基準に基づいて選定。
なお、本基準は、プロジェクトの基本的な考え⽅方に係るものであり、重点課題選定時のみならず、プロジェクト実施の段階においても尊重すべきもの。
（１）社会的・国家的⾒見見地から⾼高い意義があるか。【必要性の観点】① 我が国を取り巻く社会的・科学的課題の解決に貢献できること。
（２）世界を先導する成果の創出が期待できるか。【有効性の観点】① 科学的なブレークスルーや我が国の産業・経済への波及効果が期待されること。
② 成果創出に向けて、計算科学者や理理論論科学者に加え、計算機科学者、応⽤用数学者、社会科学者、実験・観測科学者、産業界や⾃自治体等の関係者などが連携・協調した開発体制を構築できる⾒見見通しがあること。
（３）ポスト「京」の戦略略的な活⽤用が期待できる課題か。【戦略略的活⽤用の観点】① ポスト「京」によりはじめて可能となる超⼤大規模計算・データ解析であること。
② 俯瞰的にみてポスト「京」の⼗十分な活⽤用が期待できること。
③ ポスト「京」の利利⽤用による投資効果が明確であること。
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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題（第2章）（1/3）
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題①	
１．重点課題（９課題）「京」からの発展として世界を先導する成果の創出が期待でき、選定⽅方針に沿う課題。重点課題の中からターゲットアプリケーションを選定の上、コデザイン及び性能⽬目標の明確化に活⽤用する。
公募による代表機関決定後、代表機関により実施計画を策定し、平成27年年度度からアプリケーション開発に着⼿手する。
カテゴリ

健康⻑⾧長寿社会の実現

重点課題① ⽣生体分⼦子システムの機能制御による⾰革新的創薬基盤の構築
超⾼高速分⼦子シミュレーションを実現し、副作⽤用因⼦子を含む多数の⽣生体分⼦子について、機能阻害ばかりでなく、機能制御までをも達成することにより、有効性が⾼高く、さらに安全な創薬を実現する。

② 個別化・予防医療療を⽀支援する統合計算⽣生命科学
健康・医療療ビッグデータの⼤大規模解析とそれらを⽤用いて得られる最適なモデルによる⽣生体シミュレーション（⼼心臓、脳神経など）により、個々⼈人に適した医療療、健康寿命を延ばす予防をめざした医療療を⽀支援する。

防災・環境問題③ 地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築
内閣府・⾃自治体等の防災システムに実装しうる、⼤大規模計算を使った地震・津波による災害・被害シミュレーションの解析⼿手法を開発し、過去の被害経験からでは予測困難な複合災害のための統合的予測⼿手法を構築する。

④ 観測ビッグデータを活⽤用した気象と地球環境の予測の⾼高度度化
観測ビッグデータを組み⼊入れたモデル計算で、局地的豪⾬雨や⻯竜巻、台⾵風等を⾼高精度度に予測し、また、⼈人間活動による環境変化の影響を予測し監視するシステムの基盤を構築する。環境政策や防災、健康対策へ貢献する。

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題（第2章）（2/3）
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題②	
１．重点課題（９課題）（つづき）
カテゴリ
エネルギー問題重点課題⑤ エネルギーの⾼高効率率率な創出、変換・貯蔵、利利⽤用の新規基盤技術の開発
複雑な現実複合系の分⼦子レベルでの全系シミュレーションを⾏行行い、⾼高効率率率なエネルギーの創出、変換・貯蔵、利利⽤用の全過程を実験と連携して解明し、エネルギー問題解決のための新規基盤技術を開発する。

⑥ ⾰革新的クリーンエネルギーシステムの実⽤用化
エネルギーシステムの中核をなす複雑な物理理現象を第⼀一原理理解析により、詳細に予測・解明し、超⾼高効率率率・低環境負荷な⾰革新的クリーンエネルギーシステムの実⽤用化を⼤大幅に加速する。

産業競争⼒力力の強化⑦ 次世代の産業を⽀支える新機能デバイス・⾼高性能材料料の創成国際競争⼒力力の⾼高いエレクトロニクス技術や構造材料料、機能化学品等の開発を、⼤大規模超並列列計算と計測・実験からのデータやビッグデータ解析との連携によって加速し、次世代の産業を⽀支えるデバイス・材料料を創成する。

⑧ 近未来型ものづくりを先導する⾰革新的設計・製造プロセスの開発

製品コンセプトを初期段階で定量量評価し最適化する⾰革新的設計⼿手法、コストを最⼩小化する⾰革新的製造プロセス、およびそれらの核となる超⾼高速統合シミュレーションを研究開発し、付加価値の⾼高いものづくりを実現する。

基礎科学の発展⑨ 宇宙の基本法則と進化の解明
素粒粒⼦子から宇宙までの異異なるスケールにまたがる現象の超精密計算を実現し、⼤大型実験・観測のデータと組み合わせて、多くの謎が残されている素粒粒⼦子・原⼦子核・宇宙物理理学全体にわたる物質創成史を解明する。

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題③	
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題（第2章）（3/3）
２．萌芽的課題（４課題）

ポスト「京」で新たに取り組むチャレンジングな課題として、今後、調査研究を通じて実現化を検討する。調査研究終了了後に、ポスト「京」における研究開発実施について決定する。
萌芽的課題
将来性を考慮し、今後、実現化を検討する課題⑩ 基礎科学のフロンティア － 極限への挑戦

極限を探究する基礎科学のフロンティアで、実験・観測や「京」を⽤用いた個別計算科学の成果にもかかわらず答の出ていない難問に、ポスト「京」のみがなし得る新しい科学の共創と学際連携で挑み、解決を⽬目指す。

⑪ 複数の社会経済現象の相互作⽤用のモデル構築とその応⽤用研究

複雑且つ急速に変化する現代社会で⽣生じる様々な問題に政策・施策が俊敏に対応するために、交通や経済など社会活動の個々の要素が互いに影響し合う効果を取り⼊入れて把握・分析・予測するシステムを研究開発する。

⑫ 太陽系外惑星（第⼆二の地球）の誕⽣生と太陽系内惑星環境変動の解明

宇宙、地球・惑星、気象、分⼦子化学分野の計算科学と宇宙観測・実験が連携する学際的な取り組みにより、観測・実験と直接⽐比較可能な⼤大規模計算を実現し、地球型惑星の起源、太陽系環境、星間分⼦子化学を探究する。

⑬ 思考を実現する神経回路路機構の解明と⼈人⼯工知能への応⽤用

⾰革新技術による脳科学の⼤大量量のデータを融合した⼤大規模多階層モデルを構築し、ポスト「京」での⼤大規模シミュレー
ションにより⼈人間の精神活動を脳の物理理的実体にねざして再現し、⼈人⼯工知能への応⽤用をはかる。

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⑥革新的クリーンエネルギーシステムの実用化	

⑥ ⾰革新的クリーンエネルギーシステムの実⽤用化
概要・意義・必要性（１）必要性の観点：ポスト「京」を用いた第一原理解析により、超高効率・低環境負荷な革新的クリーンエネルギーシステムの実用化を大幅に加速する。
（２）有効性の観点：産業界の大型プロジェクト（SIP等)と連携し、ポスト「京」の超高精度解析を駆使することで、鍵となる物理現象を解明し、世界最先端のエネルギーシステムを実現する。
（３）戦略的活用の観点：エネルギ変換の中核をなす、燃焼等の複雑な物理現象を高精度に予測するためには、第一原理解析が必須となる。実問題に対する第一原理解析にはポスト「京」の能力が必要となる。
内容の詳細
具体的なサブ課題として以下のようなものが想定されるが、波及効果の大きなもの、解析基盤技術が共有できるものを優先して実施。
• サブ課題Ａ：超臨界タービン燃焼器：超臨界燃焼挙動を詳細に解明し、高熱効率・低環境負荷（CCS、ゼロNOx）に寄与する超臨界タービン燃焼器の実用化を加速。
• サブ課題Ｂ：ICエンジン：エンジン内の乱流噴霧燃焼挙動を解明し、熱効率の飛躍的向上（40%→50%以上）に貢献。
• サブ課題Ｃ：超大型風車：最重要課題である立地アセスメントで必要な100ケース/アセスメントの高精度風況予測を実現し、実用化を加速。
• サブ課題Ｄ：核融合炉：核融合炉の実用化に必須となる核燃焼プラズマ挙動の解析技術を確立し、国際熱核融合実験炉ITERの炉心設計に貢献。

ポスト「京」利用の必要性• 超臨界タービン燃焼器では亜臨界状態に比べて雰囲気圧が10倍（300気圧）になり解析規模が約100倍になるため。
• ICエンジンでは予測精度を飛躍的に向上させることが可能な気筒内噴霧燃焼の第一原理解析（DNS解析）が必要なため。
• 超大型風車の立地アセスメントでは、100ケース以上の詳細な風況予測シミュレーションを実施することが必要なため。
• 核融合炉心の核燃焼プラズマ挙動の解析では、「京」の成果を重水素など多種イオン系、かつ、長時間スケール（10ms→1s）に拡張することが必要となるため。
必要な計算資源 （実行効率を1EFLOPSの15%程度と仮定）
占有日数は7日～53日程度と見積もられるが、詳細は具体的な研究課題に依存する。

期待される成果・波及効果• 超高効率・低環境負荷な産業機器・コンシューマ製品の実現による我が国の産業競争力の強化、低炭素社会・省エネルギー社会の実現に向けた世界的リーダーシップの発揮。
• 「エネルギー基本計画」で重要性が指摘される省エネルギー・低環境負荷技術、中長期クリーンエネルギー源等の技術開発に貢献。
• 具体的な成果としては、高熱効率・低環境負荷の超臨界タービン燃焼器の実用化、ICエンジンの熱効率の飛躍的向上（10%以上向上）、超大型風車の実用化、核融合炉の炉心設計への貢献などが期待される。

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日米エクサスケールアプリケーションWSについて	
2014	  Smoky	  Mountains	  Computa4onal	  Sciences	  and	  Engineering	  Conference	  and	  U.S./Japan	  Exascale	  Applica4ons	  Workshop	  2014/9/2-­‐6,	  Gatlinberg,	  TN,	  USA	  エクサアプリ開発のための理研-­‐ORNLの間での日米協力の覚書の作成を目的として医療、材料、気候、産業応用、核物理、核融合の6分野の専門家が議論	  	  n核融合セッション参加者	  Yasuhiro	  Idomura	  (JAEA,GT5D)	  &	  Phil	  Ferguson(ORNL,	  Summary),	  co-­‐chairs	  Shinya	  Maeyama	  (JAEA,	  GKV)	  Masanori	  Nunami	  (NIFS,	  Numerical	  Simula4on	  Reactor	  Research	  Project)	  John	  Mandrekas	  (US-­‐DOE,	  Overview@SMC)	  C	  S	  Chang	  (PPPL,	  SciDAC-­‐EPSI)	  David	  Bernholdt	  (ORNL,	  SciDAC-­‐PSI)	  Sophie	  Blondel	  (ORNL)	  John	  Canik	  (ORNL)	  David	  Green	  (ORNL,	  SciDAC-­‐RF,	  SciDAC-­‐AToM)	  Andreas	  Wingen	  (ORNL,	  Workﬂow	  on	  VMEC)	  12

ワークショップにおける主な議論	  1.

既存アプリケーションのエクサスケール拡張に向けたコデザイン	  nネットワークトポロジ、メモリ階層構造、耐故障性	  nプログラミングモデル、ライブラリ、並列アルゴリズム（時間並列）	  nエクサスケールシミュレーション間のデータ結合モデル	  2.

エクサスケールシミュレーションの目標	  nマルチフィジックス核燃焼プラズマシミュレーション（Whole	  Device	  Modeling）によるITERの運転支援	  nプラズマ・材料相互作用の定性的・定量的理解	  3.

エクサスケール時代の研究課題	  n第一原理プラズマシミュレーションに基づく制御・運転シナリオ設計	  4.

エクサスケールアプリケーション開発における日米協力	  nエクサスケール計算機向けアルゴリズム、物理モデルの共同開発	  nエクサスケールアプリコデザインに関するJIFTワークショップ提案	  →JIFT	  workshop	  on	  innova4ons	  and	  co-­‐designs	  of	  fusion	  simula4ons	  towards	  extreme	  scale	  compu4ng	  (Aug.	  2015,	  Nagoya)	  13