2023~2024

YouTubeに JSS3紹介動画のオープニングをアップしています。
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セキュリティ・情報化推進部 スーパーコンピュータ活用課

新時代の宇宙航空分野の研究開発を担うJSS3
筑波宇宙センター【コンピュータ基盤】TOKI: TOkyo and ibaraKI

1 TOKI-SORA

TOKI-TRURI 筑波汎用システム

調布航空宇宙センター

HPCシステム

FUJITSU PRIMEHPC FX1000
FUJITSU Processor A64FXTST PRIMERGY RX2540 M5

理論演算性能：19.4 PFLOPSTGP PRIMERGY CX2570 M5

ファイルシステム : FEFS
総実効容量：0.4PB

2.99 TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノードx 1（36コア/ノード）
1.50TiB =1.50 TiB/ノードx 1（36コア/ノード）, Quadro x 1基

総ノード数：5,760

筑波運用管理システム（48 コア/ノード）

高速 Ethernet バックボーン
相互接続網（InﬁniBand）

2 TOKI-RURI

TFS: Tukuba File System＊水冷システムTLM PRIMERGY RX2540 M5

運用管理システム

12 Tbps

TOKI-TFS 筑波ファイルシステム

5.98 TFLOPS=2.99 TFLOPS/ノード x 2（36コア/ノード）
768 GiB = 384GiB/ノードx 2（36コア/ノード）,Tesla V100 x 4 基（1CPU, 32 GiB /ノード）

2.8Tbps

5.98TFLOPS= 2.99 TFLOPS/ノード x 2（36コア/ノード）

768 GiB =384GiB/ノードx 32（36コア/ノード）,Tesla V100 x 1基

137 TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノード x 46（36コア/ノード）
8.62 TiB =192 GiB/ノード x 46（36コア/ノード）, Quadro x 1 基

総メモリ量：180 TiB

360Gbps

PRIMERGY RX2540 M5 x 2ノード（36 コア/ノード）

理論演算性能：145 TFLOPS
総メモリ量：10.8TiB
総ノード数：49（36コア/ノード）（3.37 TFLOPS/ノード）

280Gbps

TLI: Tukuba LogIn system

TRURI: Tukuba all-RoUnd Role Infrastructure

SORA: Supercomputer for earth Observation, Rockets, and Aeronautics

HPC システム（ TOKI-SORA）は、JSS2 から「SORA」の名称を継ぐ JSS3 の中核を担う計算機で、19PFLOPS を超える理論演算性能を持つスカラー型並列計算機です。

TOKI-TLI 筑波ログインシステム

10 Gbps

49 Gbps

400 Gbps

高速 Ethernet バックボーン

45.7 Tbps

水冷式の計算機

PRIMERGY RX2540 M5
1,121TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノードx 375（36 コア/ノード）

TOKI-SORA は高密度で発生する熱を効率的に取り除くために、水冷式が採用されています。

【アーカイバ基盤】J-SPACE

5 J-SPACE

J-SPCE: Jaxa's Storage Platform for Archiving, Computing, and Exploring

70 TiB =192 GiB /ノードx 375（36 コア/ノード）, Quadro x 1 基

GP: GPgpu

ディスクキャッシュ容量 : 3 PB

＊水冷システム95.6TFLOPS=2.99 TFLOPS/ノードx 32（36コア/ノード）

総メモリ量：104 TiB
総ノード数：416（36コア/ノード）

3 TOKI-LI ログインシステム
LI: LogIn system

PRIMERGY RX2540 M5 x 最大14ノード（36コア/ノード）
41.8TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノード x 14（36コア/ノード）
5.37TiB =384 GiB /ノード x 14（36コア/ノード）, Quadro x1 基

12.0 TiB = 384GiB/ノードx 32（36 コア/ノード）, Tesla V100 x 4 基

XM: eXtra large Memory

PRIMERGY RX2540 M5
5.98TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノードx 2（36コア/ノード）

CMU（CPU Memory Unit)2

12.0 TiB = DCPMM 6.00 TiB/ノードx 2（36 コア/ノード）, Quadro x1基

LM: Large Memory

PRIMERGY RX2540 M5
20.9 TFLOPS = 2.99 TFLOPS/ノードx 7（36 コア/ノード）

10.5TiB = DCPMM 1.50TiB /ノードx 7（36 コア/ノード）, Quadro x1基

1

4 TOKI-FS ファイルシステム

4

FS: File System

3
5

ファイルシステム : FEFS
オールフラッシュ NVMe ストレージ：10 PB
ハードディスクドライブ ストレージ：40 PB

2Powered by

テープ容量 : 70 PB

PRIMERGY CX2570 M5

理論演算性能：1.24 PFLOPS

40 Gbps

80 Gbps

20.8Tbps

ST: STandard

汎用システム (TOKI-RURI）は、大容量メモリを搭載した計算機、GPU を搭載した計算機など、ユーザの様々な計算のニーズへの対応を可能とするようなシ
ステム構成となっています。

400 Gbps

416Gbps

汎用システムRURI: all-RoUnd Role Infrastructure

相互接続網（InﬁniBand）

5.2Tbps

調布航空宇宙センター

スーパーコンピュータ棟

YouTubeでJSS3のシステム紹介動画をご覧いただけます。

3

JSS3 の性能を発揮する運用

運用における課題

JSS2 の後継システムとしての JSS3

スパコン運用課題の解消策を常時模索

JAXA セキュリティ・情報化推進部 スーパーコンピュータ活用課は 2020 年 12 月

スパコンの運用にはいくつかの解決すべき課題があります

より、JSS2 の後継となるスーパーコンピュータを中核とする計算機システムとして、が、問題解消のために製造メーカーと連携して技術改善を

JSS3（JAXA Supercomputer System Generation 3）の運用を開始しました。

行ったり、ユーザーにはスパコンで効率よく計算するためのコンピュータ基盤の総称は「TOKI」と名付けられ、その由来は日本を代表する鳥でプログラムのチューニング情報等を提供しています。

スパコンがその性能を発揮するためには、運用チームが努力すればよいことでは▲HPC システム（TOKI-SORA)

なく、ユーザーを初め、多くの人の協力が不可欠です。そのためにも「スパコンを良く知ってもらう」ことが重要だと考えています。JSS３を紹介する機会を大切にし、多くの人にスパコンの活躍を知ってもらいたいと願っています。

宇宙開発や航空技術のさらなる発展を目指すスーパーコンピュータ

効率化と省エネの両立を半導体技術の進歩により、単位計算性能当たりのンピュータシステム全体としての消費電力削減努力
がより必要となっています。

JSS2

空分野での国際競争力の強化に貢献するため、ハイ・パフォーマンス・コンピューティング

JSS3▲富士通プロセッサ A64FX

計算機のタイプを選べる汎用システム（TOKI-RURI）

まで、その研究によって様々です。汎用システム（TOKI-RURI）は４種類のタイプの違うノードで構成されたシステムなので、ユーザーは計算するプログラムに合った最も効率の良いノードを選択することができます。

AI（人工知能）の計算に対応できる TOKI-RURI
GPノードを装備

Standard

375 ノード

通常のプログラムの計算
GPgpu

32 ノードAI などの特殊な計算
XMノード

eXtra large Memory

2 ノード

特に大きなメモリを必要とする計算
LMノード

Large Memory

JSS3 の汎用システムには GPノードという GPGPU を装備したシステ
GPGPU とは GPU（グラフィックボード）を数値計算用に利用する技術を採用したシステムで、同じ計算を大量に繰り返す場合に効率良く演算を行うことができます。
GPノードには１ノードに「NVIDIA Tesla V100」の GPU が４枚搭載され、そのノードが調布事業所の TOKI-RURI には 32 ノード、筑波事業
所の TOKI-TRURI には 2 ノード用意されています。
4

一次冷却水

本体装置ラック

CDU

(KW)
1000

二次冷却水

コールドプレート

3400 NWT（1996）

TOKI-RURI

GPノード構成

GPU

GPU

SwitchCeNSS（2002）

97 903KW/9.3TFLOPS

100（2009）
15 JSS1
2030KW/135TFLOPSCMU（CPU Memory Unit）

1

JSS2（2016）
SORA-MA
1200KW/3.49PFLOPS

1995

2000

2005

JSS3（2021）
0.34

2010

2015

TOKI-SORA
1500KW/19.4PFLOPS

0.08
2020

▲１TFLOPS あたりの歴代計算機の消費電力（1 時間あたりの電力量 ÷ 理論演算性能）

GPU

CPU

CPU

課題 無停止運用サービス
365日使えるスパコンシステム
スパコンを使って研究している研究者にとっては、

調布航空宇宙センター
HPC システム（TOKI-SORA）

できるだけ運用の保守点検等の停止期間に影響を受け

汎用システム（TOKI-RURI）

ることなく計算を続けられるシステムが理想的です。

ファイルシステム（TOKI-FS）

JSS3 には東京と筑波の拠点それぞれに汎用システ
ムとファイルシステムが設置されているので、どちら

SwitchGPU◀コールドプレー
ト内に冷水を循冷水
環させて、直接
CPUの熱を除去。

温水

950KW/0.28TFLOPS

7 ノード

大きなメモリを必要とする計算

ムがあり、機械学習用途が目的での計算にも対応可能となっています。

◀冷却チラーの設置による水冷シ
ステム。

（冷却水循環装置）

0.34KW
0.08KW10

TOKI-RURI の各種ノード

GPノード

冷却用水冷チラー

回る計算性能向上の要求があるため、 スーパーコ

理論演算性能が 19.4PFLOPS、総メモリーを 180TiB 有するスーパーコンピュータです。宇宙航ユーザーが計算するプログラムは、小さい計算から、かなり大きな計算式を採用し、 効率の良い発熱除去を行っています。

（1時間あたりの電力量 ÷ 理論演算性能）

向けの計算システムとして、富士通が開発した「PRIMEHPC FX1000」を 5,760 ノード導入し、STノードます。JSS3 ではコールドプレートを用いた水冷方

課題 電力量の削減

1TFLOPS 当たりの電力量

JSS3 のメイン計算機である HPC システム（TOKI-SORA) は、大規模な数値シミュレーション

計算するプログラムに合わせて、効率の良いタイプを選べる計算機

スパコンの回路は、集積度が上がると大量の熱を消費電力は劇的に減少していますが、その減少を上

JSS３の中核を担う HPC システム（TOKI-SORA）（HPC）基盤としての役割を担います。

空冷から水冷へ出すため、従来の空冷方式では冷却しきれなくなりある「朱鷺」、時空を表す「時」、問題を解決する「解き」のイメージに加え、システ
ムが東京と茨城に設置されていることから来ています。

課題 スパコンの発熱除去

かのシステムが運用を停止した場合でも研究を継続で必ずどちらかが稼働しています

きるような計算機システムとなっています。
筑波宇宙センター
筑波汎用システム（TOKI-TRURI）
筑波ファイルシステム（TOKI-TFS）
5

パワフルな可視化システムを装備
可視化

の重要性

スパコンで計算された数値シミュレーション結果はコン

ファイルシステム（TOKI-FS)

大規模ストレージ J-SPACE で膨大なデータを保存
HPCシステム（TOKI-SORA)

データを保存する方式を選ぶ
電子データを保存する方法は幾種類かあり、データの使用の仕方、どのぐらいの期間保存すピュータの中に数値データとして存在するだけで、そのままるのかによって記録方式を選択できるのが望ましいシステムと言えます。電気を使って記録すでは人間が理解できません。 そのデータを「グラフにする」

るメモリーは書き込み、読み出しが速く、データを頻繁に利用する場合には適していますが、「画像に表示する」「アニメーションにする」など、人間が理

電源がなくなると消失してしまうこと、大量のデータを保存できない等で、膨大なデータの長解できる形にする技術を「可視化」と呼びます。可視化は、期保存には向いていません。JSS3 には重要な計算資産を長い期間保存しておける J-SPACE

研究開発を進める上で欠かせない技術となっています。

より大きなデータを扱える
優れた可視化システム環境が必要に
スパコンのスピードが速くなると計算結果がどんどん大き
くなり、その大規模な計算結果を可視化する計算機の重要性が高まっています。
JSS3 では大規模計算がスムーズに行えるように、計算のTOKI-FS

TOKI-SORA

20.8 Tbpsというアーカイバ基盤が用意されています。

12Tbps

相互接続 (InﬁniBand)◀大規模ストレージ

J-SPACE

TOKI-RURI
45.7 Tbps

汎用システム（TOKI-RURI)

前処理と後処理の可視化を行うための計算機、汎用システム（TOKI-RURI）を装備しました。このシステムにより、ファイルシステム（TOKI-FS）に格納された大規模計算結果を直▲航空機の翼端流れの可視化

接可視化することが可能です。
可 視 化 ア プ リ ケ ー シ ョ ン と し て EnSight、Fieldview、
ParaView などを用意しています。また、
リモートデスクトッ
プ機能、クライアントサーバ機能など、いろいろな条件の可視化が行えるような環境が整えられています。

▲複数の回転翼の可視化

２次元の画像から３次元の立体画像へ▲ロケット射場の可視化

４K 裸眼立体視
ディスプレー

グラフィックモニターに２次元の画像を出力するのが可視化技術の中心でしたが、可視化デバイスの進化により３次元立体画像でのデータ検証ができるようになってきています。

ゴーグル型
MR 装置

スパコン活用課可視化チームは高解像度の裸眼立
体視ディスプレーをはじめ、3D プリンタの活用、ゴーグル型 MR 装置を用意し、新時代の可視化技術を準備しています。

3D プリンタによるモデル

6

7

スパコンのことをもっと知りたいです！
いらっしゃいですよぅ！

こんにちは！
僕たちにもっと
スパコンのことを教えてください。

実験が困難な現象の解明に活用されています。
航空機、宇宙機を開発するためには、自然物理現象の理解が必要です。

私がなんでも紹介しましょう

自然物理現象の解明は非常に難しい研究テーマですが、航空機、宇宙機の開発には欠かせません。
スパコンはその研究を行う重要なツールとして活用されています。

スパコンは研究開発で、どのよう

宇宙航空分野で、実験が困難な現象を計算で解き明かします。

に使われているん
スパコッコ
けいさんき

そらくん

るりちゃん

「鶏算喜」という計算がとても
得意な
にわとり。

ですか？

ドクターエアロ
航空宇宙分野のことなら何でも知ってる
物知り博士。

調布航空宇宙センター スーパーコンピュータ棟

人が上手に使って、初めてスパコンは活躍します。
スパコンは単なる計算機なので、人が使ってこそ性能を発揮します。スパコンを運転する経験豊富なパートナー (Partner) は効率よくスパコンを運用することで、私たちがスパコンを運用しています！

優秀な研究者の要求に最大限応えています。その成果が航空宇宙分野の開発に活かされ、私たちの生活が豊かになるのです。

ようこそ、SCO（SuperComputer Office) へ！

Part

ner

スパコンも普通のコンピュータと同じように、プログラムを計算する機械なのですが、規模が大きいので運用するには多くの仕事が必要です。まず、ユーザーの登録とどの位のサイズの計算をするかの管理、実際に計算するプログラムの順番の制
御、計算結果の記録。もちろんスパコン本体のメンテナンス、温度管理、電力管理など。当然、次期スパコン導入の構想も考えないとなりません。
ここではその仕事を担っている SCO（SuperComputer Office）の仕事を紹介しましょう。

i
nn

Co

nn

a

JSS3 のスパコンの名前となっている朱鷺はペリカン目に分類されています。そのペリカン達がパートナーとして、力を合わせてスパコン運用しているようなイメージをしてみました。

ペリカンパートナーの仕事の分担eDo「ペリカンパートナー」と名付けてみました！

ペリカンパートナーは現在 15 人編成で、それぞれメインに担当してい

b

Bo

s

る仕事を中心に、好奇心と向上心を持って日々業務に取り組んでいます。

am
Ad

計算結果は
どうやって確かめるんですか？

風洞実験で検証し、計算結果の信頼性を向上させます。

Adams【チーフマネージャー】スパコンの導入から運用、SCO の活動とすべてのマネージメント担当

rd

Edwa

Frank

Grace

Bob【サブマネージャー】チーフマネージャーのサポートおよび契約等の事務とりまとめ担当

Ich

ry

Hen

e

Jan

iro

Connie【事務処理サポート】SCO の活動に必要な事務処理担当
Donna【QMS 事務局】QMS（品質管理システム）の事務局の担当
Edward【ツールサポート】センターツール担当

in

v
Ke

Ma

rk

Lucy

Nic
k

Frank【システムアプリケーションサポート】JSS3 のアプリケーション対応担当
Grace【新ネットワークサポート】新ネットワークの構築担当
Henry【運用チーフオペレータ】JSS3 運用の全般のオペレーション担当
Ichiro【運用管理オペレータ】JSS3 運用の業務アプリ開発兼サーバ管理担当
Jane【ユーザ管理オペレータ】JSS3 ユーザ / 事業コードの登録、管理担当
Kevin【可視化ツールオペレータ】可視化アプリケーションの管理担当
Lucy【QA オペレータ】運用に関するユーザからの質問、返答管理担当

Ous

tin

8

Mark【可視化新デバイスサポート】可視化分野の新デバイス活用担当
Nick【次期システムサポート】次期システムの調査及び構成検討担当
Oustin【可視化、広報サポート】解析結果の可視化とスパコンの広報活動担当

もっともっと！ JSS3 オンライン展示室

来てね！

もっと色々なことを知ってもらうために「JSS3 オンライン展示室」を公開しています。

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JAXAの計算機システムと数値シミュレーション 技術の歩み

3

JAXA の前身である航空宇宙技術研究所（NAL）
は、最初の

その後、2003 年に JAXA が発足。さらなる研究効率の強化

2020 年中旬より、新スーパーコンピュータシステムとして計算機として米国製 DATATRON205 を1960 年に導入しましを図るため、2007 年に調布、角田、相模原の各事業所に設置

JSS3 の導入が開始され、同年 12 月より稼働、運用されていた。その後、国産機である日立社製のHITAC5020の導入を経されていた３つのスーパーコンピュータを１つに統合したます。新システムは TOKIという愛称で呼ばれ、メイン計算機て、1977 年に富士通との共同開発による FACOM230-75APUJAXA スーパーコンピュータシステム（JSS1）を調布事業所

として構成されている HPC システム TOKI-SORA は理論演が日本初のスーパーコンピュータとなりました。1987 年にはに設置し、運用を開始しました。2009 年 4 月からフル稼働

算性能が 19.4PFLOPS、総メモリ量は 180TiB です。研究者

NAL の特別注文によって FACOM VP400 が開発され、機体となり、システムの中核となる M システムの理論演算性能はがより効率良く計算資源を利用できるように汎用システムと周りの全機モデル粘性流計算が 10 時間以内で行えるように

120TFLOPS、総メモリ量は 94TB でした。

して TOKI-RURI が用意されています。

2021

2014 年から JSS1 をより使いやすいシステムとして再構築

次に目標は、風洞で行う実験を数値シミュレーション技術したスーパーコンピュータシステム JSS２「宙：SORA」がで行う計算機「数値風洞（Numerical Wind Tunnel）」の開段階的に導入され、2016 年４月からはフル稼働の運用が開始発でした。数値風洞の研究開発は 1989 年に始まり、1993 年されました。メイン計算機としての SORA-MA の理論演算性に導入。性能は期待された目標を達成し、宇宙航空関連の流能は 3.49PFLOPS、総メモリ量は 100TiB でした。

2016
JSS2 SORA-MA

3.49 PFLOPS

体力学の基礎研究分野で大いに活用されました。数値風洞は
1994 年から 3 年連続でゴードンベル賞を受賞し、世界一の性

1996
1993
NWT 140PE NWT 166PE 280 GFLOPS

能が認められました。
2002 年には富士通製の PRIMEPOWER で構成されたシスIntel PARAGON 25.2 GFLOPS
1990
FACOM
VP2600
5 GFLOPS1987
FACOM VP400

テム（CeNSS）にリプレースされ、新世代数値シミュレーション技術の研究開発に実績を残しています。

FACOM VP200 500 MIPS

1983
1977
FACOM230-75APU FACOM M380 FACOM M780 45 MIPS

1975
FACOM230-75

DATATRON205

19.4 PFLOPSTOKI-RURI 1.24 PFLOPS

2009
JSS1 M System

2002
CeNSS 9.3 TFLOPS

120 TFLOPS

V System 5.1 TFLOPSSORA-PP 75.2 TFLOPS● 2003
CRAY Y-MP 334 MIPSFACOM VP2100 63.8 MIPS

20 MIPS

20 MFLOPS

1968
HITAC5020F 0.5 MIPS
1967
HITAC5020

1960

JSS3 TOKI-SORA

CeViS SGI 0nyx 25 GFLOPS

1.14 GFLOPS

1960

1E

1P

1T
Peocessor Speed

なりました。

Youtubeで JAXA のスーパーコンピュータの歴史紹介動画をご覧
いただけます。

1G

1M

1K

●1996 ゴードンベル賞受賞（Performance Winner）●1995 ゴードンベル賞受賞（Performance Winner）●1994 ゴードンベル賞受賞（Honorable Mention）

1965

1970

1975

1980

1985

開拓の時代

1990

1995

2000

技術開発の時代

2005

2010

検証の時代

2015

2020

2025

実用の時代

ASKA

HOPE

SST

3-D Compressor

Combustion

Helicopter

Rocket Launch

Atomization

Rocket Engine

H3 Launch Vehicle

Transonic Buffet

Aircraft

ASKA全機モデルによる大規模シミュレーション

宇宙往還機HOPEの熱空力設計への応用

次世代航空機SSTの空力設計

ジェットエンジンの圧縮機の３次元シミュレーション

水素の乱流燃焼解析

ヘリコプタの遷移飛行
シミュレーション

ロケット射場における音響の影響解析シミュレー
ション

液体燃料の微粒化行程
シミュレーション

LE-Xロケットエンジンの全系ハザード解析

H3ロケット射点内部の噴流流動に与えるエンジン
配置の影響解析

航空機の高迎角剥離流の非定常解析

航空機解析コア技術開発

1995

2001

2009

2011

2015

2016

2018

1986
10

1993

1995

2003

2006

11

航空機の機体設計における利用

航空機の高迎角剥離流

衝撃波（ショック）航空機は衝撃波が発生するほど速い速度で飛行している時に航空機解析コア技術開発

迎角を大きく上げると、主翼上の衝撃波の背後で流れが剥離し航空機の開発には、実機フライト環境を忠実に再現したうえで、設計や運用における重要な課題を解決し、格段の効率化、高性能化、安全性向上を実現するコア技術の確立が必要です。
また、実機飛行試験など、開発が進んでしまった段階でしか評価できない設計課題の評価を、設計初期段階で評価可能とする技術の開発や、失速特性の高精度予測の実現、非線形飛行力学の導入による航空機の飛行制御技術の抜本的な改善、高度なシミュレーション

ます。それにより衝撃波が振動を起こし、主翼にかかる力が大きく変化するので機体に振動が発生します。これはバフェットと呼ばれる現象で、さらに速度を上げていくと失速し、墜落する可能性があります。
通常は、このような大きな迎角で飛行しませんが、航空機を開発する際には、どこまで迎角を上げることができるのか、予
め知っておく必要があります。

の活用による高度運航制御モデルの開発なども今後の重要な課題となってきます。
それらの課題に挑戦するため、高解像度な高「 航空機の高迎角剥離流の非定常解析」
を解説したWebサイトをご覧いただけます。

精度圧縮性解法、壁面形状モデル、LES ( ラージ・
エディ・シミュレーション ) 壁面モデルを開発しています。
それによる、実機詳細形状 (JSM̲CRM̲LEG

剥離して生じる渦モデル ) に対して埋め込み境界を用いた試計算を

地面付近での 4 ローター
ドローン周りの空力解析実施しました。図はマッハ数が 0.2、レイノルズ
数が 106、迎角が 7 度の計算例です。この図では空間の渦度を表しています。
非常に高解像度な計算格子の使用により、高最近はドローンの大型化が進んでおり、揚力装置や脚の周りも高い精度で渦の形状を確

さらに複数名搭載のマルチコプタの開発▲渦度の等値面表示（色は速度）

認することができます。

▲Q 値による等値面とショックの表示（色はマッハ数）も進んでいます。しかしながら、互いに回転方向が異なる隣接する複数ロータが誘起する流れ場は複雑であり、特に地面航空機タイヤ、水跳ね予測近くで飛行する際は地面効果もこれまで雨が降り滑走路に水がたまった状態で航空機が離着陸する際、エンジン

(a)

(b)

のシングルロータのものと異なると考えられます。

に過剰な量の水しぶきが流入するとエンジンの不具合が引き起こされる可能性があり、また、離陸時には水の抵抗によって機体の速度が十分に上が可変ピッチ制御のクワッドロータのドらずオーバーランに至る可能性があります。

ローンをベースに計算モデルを作成しま

そのような状況を改善するため、航空機タイヤによる水跳ねの影響予測した。地面からの距離が変化するに従い、に向けて粒子法を用いた流体解析ソルバ P-Flow（Particle Flowsimulator）を開発しています。

ドローンの性能変化と共に、ドローン周

(c)

(d)

りの流れ場と地面に沿う流れ場の様子を

粒子法は流体を粒子の集合で近似し、個々の粒子を流体の支配方程式に解析しました。マルチコプタの地面効果

従って動かすことで流体挙動を追跡する比較的新しい手法であり、水跳ねはシングルロータと比べて、複雑な変化

現象のように大規模な液体の変形を含む問題を得意とします。

をすることが分わかりました。

メタボール技法とレイトレーシング描画を使った液体表現とアニメー
ションにより、水が跳ねる様子が可視化されています。
「航空機タイヤ、水跳ね予測」のアニメーションをご覧に
なれます。

(e)

(f)

▲4 ロータードローン周りの渦の分布（ボリュームレンダリング表示）「 回転翼機の空力解析」を解説した
Webサイトをご覧いただけます。

粒子法を用いた水跳ねのシミュレーション結果▶

1213

ロケットシステムの設計における利用
高速で飛翔するロケットの機体への負荷や宇宙空間での無重力状態などの物理現象は、実験による再現が非常に困難です。それを補う技術として、コンピュータ上で方程式を近似的に計算して物理現象を予測する数値シミュ
レーション技術が活用されています。

H3ロケットの音響解析

衛星データの高速処理における利用
GOSAT 10 年分の観測データの再処理

GOSAT（アルゴリズムアップグレード毎に実施）▶温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」（GOSAT）は、
宇宙から主要な温室効果ガスを観測する人工衛星です。
宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、国立環境研究所（NIES）、環境省（MOE）と共同で GOSAT プロジェ
クトを推進しています。

GOSAT- 2

入力データ

83TB（12 年間）

出力データ

35TB（350 万プロダクト）

計算コア数

360 コア

実行時間

30 日

図２: GOSAT データから導出したメタン (CH4)のカラム濃度の対流圏上層部と下層部の差分（2019 年、カリフォルニア州）

表１：計算資源日本の次期基幹ロケットとなる H3 ロケットのリフトオフ時に、エンジ

図 1: GOSAT で観測された緯度ごとの平均
CO2 濃度（2009 年 -2019 年）

ン排気噴流と射点の干渉によって発生する音響波の発生・伝播メカニズム

10 年に渡る GOSAT の地球全体の観測デーを解明するため、数値シミュレーション技術が活用されています。

タを見ると、CO2 濃度が年々増加して、400

メインの液体燃料エンジン２基と、固体ブースター４基から噴射された
排気ジェットをボリュームレンダリングの技法で可視化しています。また、音響波を圧力分布で表示しており、その影響が発射後に上昇を続けるロケッ

ppm を超えていることが分かります。北半球の季節変動が大きいことは、夏の CO2 排出

赤い丸のところが下層部の濃度が高いところで青い丸のところが上層部の濃度が高いところです。赤い丸が排出源で風に運ばれて青い丸のところに行っていると推定されます。

量が多く、植物の光合成が強いことを示して

図3: GOSAT データから導出した二酸化炭素(CO2) のカラム濃度の対流圏上層部と下層部の差分（2019 年、カリフォルニア州）

います。

ト本体にまで届いている様子がわかります。

GPM データを含む地球観測衛星
データにおける数値気象予報モデルのデータ同化手法の開発

フルスケール液体ロケットエンジン
燃焼器の LES
液体ロケットエンジン燃焼器の開発における重要なテーマは、燃焼器内部の構造物が圧力変化や局所的な高熱によって破損されてしまう
事態を、どうやって回避するかです。しかし、これらの事象は実際のエンジンによる試験で初めて発見されることが多く、また、いつ、ど◀全球降水観測（GPM）主衛星は2014 年 2 月 28 日に打ち上げられました。GPM は、全地球の 90％の地域での雨の強さの観測と約 1
時間の分布を観測することができます。

こで起こるか分からない現象であるため、数値流体シミュレーション
で事前に予測することは困難でした。JAXA ではこれらの事象の予測を実現するため、圧縮性・燃焼 LES(Large Eddy Simulation) ソル
バー「LS-FLOW-HO」という解析ソフトウェアの開発を進めています。
計算点数は約 26 億です。
まだ流れ場は十分に発達していませんが、複雑な火炎の構造が確認

プ（GSMaP）データや GPM/DPR データ等の地球観測衛星

入力データ

毎６時間あたり 約100 GB（年間142 TB ）

データを数値天気予報モデルに同化する手法を開発します。

出力データ

毎６時間あたり 約 58 GB （年間 83 TB）

計算コア数

480 コア

実行時間

毎６時間中 約 2 時間ションされた大気状態を修正する手法を「データ同化」と呼び、ため軸対称な構造が見られます。噴射面上の圧力分布もこの時点ではそれにより、気象予報精度を向上させています。

ほぼ軸対称です。

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５年（GPM 主衛星打上げ後）

衛星データ等をもとに、気象予報モデルによってシミュレー

できます。同心円の各列では同じリスタート解をマッピングしている「フルスケール液体ロケット
エンジン燃焼器の LES」を解説した Web サイトをご覧いただけます。

実行期間

この研究では、データ同化手法を用いて、GPM 全球降水マッ

LE-X エンジンのフルスケール燃焼器 LES 解析結果を示します。総▲フルスケール燃焼器 LES の結果

NEXRA（NICAM-LETKF JAXA Research Analysis）を可視化したホームページ「世界の気象リアルタイム」を 2018 年 11 月に公開しました。

研開部門 / 第三研究ユニット (JEDI センター )図 1：数値モデルによって表現された 2017 年 7 月の気象場。降水量（カラー mm hr-1）と大気中の水蒸気量 ( 白黒 mm)。

（https://www.eorc.jaxa.jp/theme/NEXRA/index.htm）

表１：計算資源
Kotsuki S., Terasaki K., Kanemaru K., Satoh M., Kubota T. and Miyoshi T.(2019):
Predictability of Record-Breaking Rainfall in Japan in July 2018: Ensemble Forecast
Experiments with the Near-real-time Global Atmospheric Data Assimilation System
NEXRA. SOLA, 15A, 1-7. doi: 10.2151/sola.15A-001

15

スパコンの未来を考えてみよう！
スパコンの計算速度がもっと速くなったら？（Exa Flops：１秒間に1018 回演算する性能）
そらくん：スパコンの計算性能がどんどん速くなると、未来はどうなりますか？
ドクターエアロ：スパコンの処理速度が世界的にもエクサフロップスという計算処理速度に近づきつつあり、
それによって航空宇宙開発分野でも大きな成果が期待されているんだよ。例えば
TOKI-SORA だと
約 60 倍の 1500日（約 4 年と 3ヶ月）
かかりますよぉ。

＜航空分野の開発を Exa Flops のスパコンで行なった場合＞
レイノルズ平均を施した方程式（RANS）を用いた 1 億点の格子点数の計算を
500 万ケース計算するのにかかる日数は 25 日。
（新型航空機の設計に必要な計算量）＜宇宙分野の開発を Exa Flops のスパコンで行なった場合＞

TOKI-SORA だと
約 60 倍の 1800日（約 5 年）もかかりますよぉ。

格子点数 30 億点のロケット射場の音響周波数の最適化計算を160 ケース計算するのにかかる日数は 30 日。
（ロケット射場の設計に必要な計算量）

そらくん：それらの計算が実現すると、どんどん設計が進みますね！
ドクターエアロ：いやいや、実はそんなに単純じゃないんだよ。計算で開発出来る範囲には限りがあるし、計算の速度もエクサフロップスですら、全然足りないんだ。では、もっとスパコンを速くできるかと言うと、現実ではスパコンの速度の向上は限界点に達していると言われているしね。これからは、革新的なアイデアのコンピュータや計算方法が必要とされているんだよ。

JSS3から未来へ！

これからも情報を発信していくよ！
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いただけます。

2023.3 発行