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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）［共同研究成果］

周期構造の電磁界散乱特性解析

東京農工大学

有馬 卓司，宇野 亨
大学院工学研究院 先端電気電子部門

電磁波は我々の生活において無くてはならない物となっている．現在，電磁波のより高度な利用を目指して，様々な研究がおこなわれている．その一つに，メタマテリアル技術がある．メタマテリアルとは，マイナスの誘電率・透磁率やマイナスの位相速度などを実現する人工的な構造である．このメタマテリアルは一般的に同じ構造を並べて作成する周期構造により実現される．
本研究では，メタマテリアルを実現する周期構造について大規模解析を行いその特性を明らかにした．本成果は今後メタマテリアルを通信などに応用する際に重要なデータを提供するものでありその意義は大きいと考える．

1.

はじめに

現在，無線で電力を伝送する無線電力伝送技術や，次世代移動通信技術である 5G 通信など電磁波を用いた様々なアプリケーションが検討されている．この電磁波をより高度に利用するために電磁波に対して有効な新しい構造が日々検討されている．その構造の一つにメタマテリアル技術がある．メタマテリアルとは，マイナスの誘電率・透磁率を実現したり，マイナスの位相速度を実現するなどこれまで自然界には存在しない電気特性を実現する構造である．よって，メタマテ
リアルの電磁波に対する特性を明らかにする事は大変重要であると考える．特性を効率よく明らかにするには，実験的に様々な構造を調べるよりも，シミュレーションによる手法が有効であり，
本報告ではシミュレーションによりその特性を明らかにした．
メタマテリアル[1,2,3]は一般的に同じ構造を繰り返し並べた構造である周期構造により実現される．この周期構造は，あたかも原子構造が繰り返され一つの媒質（マテリアル）を形作る過程に似ていることから，これもマテリアルと呼ばれる．周期構造に対する電磁界解析手法はモーメント法，有限要素法，FDTD 法（Finite Difference Time Domain method）[4,5]などがある．
本研究の目的は，周期構造の電磁界散乱特性を明らかにするものであり，媒質中での複雑な電磁界の振舞などを理解できる手法が好ましい．上述した 3 つの電磁界解析手法はそれぞれが長所と短所を有するが，なかでも FDTD 法は容易に複雑なモデルを解析できる手法である．メタマテリア
ルは複雑な構造を有する事から FDTD 法はメタマテリアルの解析に適しているといえる．さらにこの手法は時間領域の解法であるために時間を追って電磁波の振舞を調べることができる．一方，FDTD 法はマクスウエルの方程式を構成する，アンペアの法則とファラデーの法則の 2 つを時間領域で，空間と時間について直接差分する差分法であるために，多くの計算時間がかかることが知られている．さらに電磁波は電界ベクトルと磁界ベクトルによって構成されるベクトル場での解析となる．3 次元空間では電界磁界がそれぞれ 3 成分を持つことになりこれは多くのメモリを必要とすることを意味する．
このような背景より，本研究を効率よく遂行するために FDTD 法のアルゴリズムおよびプログラ
ムの観点からの高速計算技術は必要不可欠である．そこで，FDTD 法のプログラミング技術による高速化について，東北大学サイバーサイエンスセンターの多大な協力を得た．

— 2 —

2.

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

FDTD 法による周期構造の解析

図 2：FDTD 法における周期境界条件

図 1：周期構造の例

図１に本研究で電磁界特性の解析を行う周期構造のイメージを示す．このように同じ構造を 2次元方向に繰り返し配置することで，これまでに無い電気特性を実現できることが報告されている．FDTD 法を用いて周期構造を解析する手法について説明する．FDTD 法は閉領域の解法である．
これは，解析領域は閉じており必ず解析領域の端を定義しなければならないという意味である．
よって，例えば構造単体の電磁界特性を解析するには，計算領域の端で電波が戻らないという境界条件が必要になる．この境界条件は反射がなく電磁波が吸収されることから吸収境界条件と呼ばれる．
本研究で対象とする周期構造に対する有効な境界条件について述べる．図 2 に FDTD 法における周期境界条件適用のイメージを示す．このように，ひとつの構造の周りに周期境界条件と呼ばれ，同じ構造が繰り返すという条件を適応することで，同じ構造が繰り返す周期構造を解析できる．
この周期構造で囲まれたひとつの構造の事を単位構造と呼ぶ．周期境界条件は電界 E に対して次式で表わされるフロケの定理[6,7]を適用する．
jk T

E ( x  Tx , y  Ty )  E ( x, y )e jk xTx e y y(1)

ここで，Tx，Ty は単位構造の x，y それぞれの方向の間隔であり，単位周期と呼ばれる．また，kx，ky は x 方向 y 方向それぞれの波数である．(1)式は，場所がずれると位相がその分ずれるという式になっており，これは周期分離れると孫文位相の異なる波が入射するという意味である．
次にこの式を FDTD 法に組み込む手法について述べる．

図 3：FDTD 法における周期境界条件

— 3 —

周期構造の電磁界散乱特性解析

図 3 に FDTD 法のセル配置を示す．FDTD 法ではこのように解析空間をセルと呼ばれる微小領域に区切って解析を行う．そして解析領域の端で周期境界条件である(1)式に示すフロケの定理を適用する．図 3 においては，x=1 と Tx に(1)式を適用する．これにより単位構造と周期境界条件により，本研究で対象とする周期構造の電磁界解析が可能となる．
周期境界条件を FDTD 法に組み込むと電磁界の収束が遅く計算時間が長くなることが知られている．そこで本研究では，ARMA（Autoregressive Moving Average Model）アルゴリズムと呼ばれる収束値を有理関数で近似することにより，収束値を推測する手法を適用しその収束を早める工夫をしている．

3.

周期構造の電磁界特性

本章においては上述した手法を用いて，実際にいくつかの周期構造を，東北大学サイバーサイ
エンスセンターのスーパーコンピュータ SX-ACE を用いて解析しその電磁界特性を明らかにする．
解析方法は図 4 に示すように周期境界を適用した FDTD 解析空間に周期構造の単位構造をモデル化し，その構造に対して平面波を入射し，構造からの反射波により反射特性を解析している．本研
究では同じ周期をもつ単位構造の形状に注目し，形状の違いにより特性がどのように異なるか解析を行った．単位構造の形状は図 5 に示すように，丸形，四角形，クロス型の 3 種類とした．各構造を周期的に配置した構造を図 6 に示す．

図 4：FDTD 法における解析モデル

図 5：単位構造のモデル

図 6:解析を行った 3 種類の周期構造

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

解析においてすべての単位周期 T は 2mm，誘電体基板の厚み h は 2mm とした．丸形および四角形状の構造においては構造の間隔 w は 0.4mm とした．また，クロス型の構造においては，g＝0.1mm，
w=0.1mm，d=1.6mm としている．まず，基板の比誘電率を 1.0（空気）とした際の解析結果を図 7に示す．平面波の入射角度を 0°，30°，60°と変化させて解析を行った．

図 7:基板の比誘電率 1.0 の解析結果
解析結果は，それぞれの構造における反射波の位相を示している．これらの構造は反射位相が0°となる磁壁の特性を示す．磁壁はこれまで自然界には存在しない構造でありメタマテリアル特性を示していることがわかる．そしてそれぞれの構造は入射波の角度によって反射位相が 0°となる周波数が異なっていることが分かる．これは同じ周波数の電磁波でも，入射角度によって特性が変わることを示しており実用上問題となる事がある．しかし，クロス型の構造においては，入射角度が異なっても反射位相が 0°となる点がほぼ移動しておらず実用上有用であることが分かった．以上より，すべての形状において磁壁を実現できるが，実用上を考えるとクロス型構造が適していると言える．

図 8:基板の比誘電率 10.0 の解析結果

次に誘電体の比誘電率を 10.0 として解析を行った結果を図８に示す．先の解析結果と大きく結果が異なることが分かる．このように，比誘電率が高いと入射波の角度によらずほぼ反射位相の周波数変化がないことが分かる．この結果より，もし丸形や四角形などの形状を用いる際は高い
比誘電率の基板を用いることにより入射波の角度によらない特性が得られることが分かった．

４.

まとめ

本研究では，周期構造の特性を詳細な電磁界解析により明らかにした．解析には周期境界条件を組み込んだ FDTD 法を用いた．また，解析対象は丸形，四角形およびクロス型の構造とした．解析結果より，基板の比誘電率が低いときは，クロス型の周期構造が電磁波の入射角度によらず安定した特性を示すことが分かった．また，基板の比誘電率を高くすることですべての構造で安定した解析結果が得られることが分かった．今後は，アンテナなどの問題へ構造の適用を行う．

周期構造の電磁界散乱特性解析

— 5 —

謝辞
本研究は，東北大学サイバーサイエンスセンターの協力を頂き実施した．特に東北大学サイバ
ーサイエンスセンターのスーパーコンピュータ SX-ACE を利用することで効率的に研究を行うことができた．また，FDTD 法のプログラムの高速化にあたっては同センター関係各位に有益なご指導とご協力をいただいた．
参考文献[1] Fan Yang, and Yahya Rahmat-Samii, “Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering.”
Cambridge University Press, 2009.
[2] S. Tretyakov, “Analytical Modelling in Applied Electromagnetics.” Artech House Inc, 2003.
[3] C. L. Holloway, M. A. Mohamed, E.F. Kuester, and A. Dienstfrey, “Reflection and Transmission
Properties of a Metafilm: With an Application to a Controllable Surface Composed of Resonant
Particles”, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 47, No. 4, pp.853-865, Nov. 2005.
[4] 宇野亨，FDTD 法による電磁界およびアンテナ解析，コロナ社，1998.
[5] 宇野亨，何一偉，有馬卓司，数値電磁界解析のための FDTD 法，コロナ社，2016.
[6] J. F. Douglas and E. J. Garboczi, “Intrinsic visocity and the polarizability of particles having a wide
range of shapes,” Advances in Chemical Physics, I. Prigogine and S. A. Rice, Eds. John Wiley & Sons,
Inc. , vol.91, pp. 85–153, 1995.
[7] P. A. Belov, R. Marques, S. I. Maslovski, I. S. Nefedov, M. Silveirinha, C.R. Simovski, and S. A.
Tretyakov “Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit”, PHYSICALREVIEW B 67, 113103 ,2003

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）［共同研究成果］

次世代低騒音タイヤ開発に向けた高精度流体音響解析―

先端 HPC 利用でタイヤ空力騒音に挑む―藤井 孝藏：東京理科大学工学部情報工学科
阿部 圭晃：東京大学大学院（現：Imperial College of London）
李
東輝：東京大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻（現：現代自動車）
原田 拓弥：東京理科大学工学部機械工学科
野々村 拓：JAXA 宇宙科学研究所（現：東北大学工学系研究科）
小石 正隆：(株)横浜ゴム
池田 俊之：(株)横浜ゴム

1.

はじめに

シミュレーション技術の向上などを受けて，走行時の自動車の低騒音化には急速な進歩が見られ，近年タイヤから発生する騒音評価までもが重要となってきた．低騒音タイヤの設計はこれまで主に実験をベースに進められ，構造音と空力音の切り分けなどが十分に行える状
況になかった．その結果，高速走行時に支配的となる空力音の観点で優れたタイヤを考える
ことが十分に行われてきたとはいえない．数値シミュレーション技術はスーパーコンピュー
タというハードウェアの急速な性能向上にも助けられ，この 30 年著しい発展を遂げてきた．
しかしながら，複雑な流体場が生み出す dB レベルの音響波を捉えることは現在でも容易ではない．私たちは，自ら開発してきた空間解像度の高い手法を利用することで，タイヤが発生する空力音を直接数値シミュレーションによって捉え，主たる音源を特定することで最終的に低空力騒音のタイヤ設計につなげる試みを進めてきた．実用レイノルズ数でのシミュレーションが困難なことから音響特性が大きく変化はしないと推察されるレベルまでレイノルズ数を落としたシミュレーションを実施している．一連の研究は，得られる現象から見えてくる物理に基づいたタイヤ設計法構築に向けた基礎研究と位置づけられる．
このようなタイヤ周りの乱流渦構造と音響場の直接シミュレーションに関する研究は極端に低いレイノルズ数における流れ構造を議論したものなどを除き，我々の知る限りいまだ存在せず，当研究チームが開発・検証を重ねてきた高解像度流体ソルバーを用いることで解析可能となる．これまで，104 という低いレイノルズ数を利用して溝の影響などを評価[1,2]，溝なしタイヤの走行シミュレーションによって初めてタイヤが生み出す明確な音響波を捉えることに成功[3]，続いてレイノルズ数を一桁上げたシミュレーションを実施（2014 年度に欧州で開催されたタイヤメッセ REIFEN2014 において (株)横浜ゴムがイノベーションアワードを受賞），単一の縦溝の効果，縦溝形状の影響（2015 年度 HPCI 産業利用課題，HPCI システム
利用研究課題優秀成果賞を受賞）[4,5]と一歩ずつ研究を進めてきた．2016 年度に実施した本共同研究の目的は，レイノルズ数を上げたときの影響を見定めるための基盤シミュレーショ
ンである．具体的には，タイヤ径の影響に焦点を当て，形状スケールという観点でレイノルズ数を上げたときにその影響がどう出るかを評価するものである．今後さらに形状が複雑化
し，格子点数もさらに増加することから，更なる計算効率の向上を目指したプログラム構成の再検討，ベクトル機の特徴を活かしたチューニングなどをあわせて本共同研究の枠内で実施させていただいた．

次世代低騒音タイヤ開発に向けた高精度流体音響解析

2.

計算モデル

2.1

解析対象

— 7 —

最終的な解析対象は，122[km/h]走行(マッハ数 0.1)・直径 60[cm]のタイヤである．タイヤ径を
代表長さ，走行速度を代表速度とするとレイノルズ数は 106 程度となる．本研究では計算可能な格子点数の下で LES を行うため，意図的にレイノルズ数 105 の流れ場を計算対象とした．これが基準となるケースである．図 1 にタイヤ表面と地面の移動方向とその領域を示す．計算手法は表1 の通りである．

図 1 タイヤ表面と地面の移動領域
ここでは，レイノルズ数を Re=150,000 に上げて，タイヤ径が音響場に与える影響に関するレイノルズ数効果を評価する．同じレイノルズ数でも速度と形状（大きさ）によって実際の状況は異なる．このシミュレーションでは，タイヤ径が 1.5 倍になった場合を想定する．相似形状に対して単にレイノルズ数を 1.5 倍としたシミュレーションはタイヤ幅が 1.5 倍のタイヤを対象にしたことになる．従って，タイヤ幅を 1/1.5 に狭め，レイノルズ数を上げたシミュレーションを行うことでこの状況を再現した．なお，実空間の同じポイントにおける音響波の強さでタイヤ径の影響を比較・評価するには，タイヤ径が 1.5 倍のケースにおける計測ポイントを無次元距離で 1.5倍近傍に置く必要がある．以上のことを踏まえつつ，レイノルズ数の効果をシミュレーションに
よって調べた．ここでの計算では，上記の 2 ケースの計算格子には重合格子を利用し総格子点数
約 2 億 5000 万の ultra-fine 格子を採用した．背景格子とタイヤ廻りに用意された 3 つの領域格子からなっている．

2.2

計算手法

支配方程式
空間差[6,7]
時間積分[8]
乱流モデル
地面と
タイヤ表面

表 1：計算手法
圧縮性ナヴィエ・ストークス方程式
6 次精度コンパクト中心差分+3 重対角フィルター(αf =0.40)
2 次精度後退差分(収束法：ADI-SGS 陰解法)
Implicit LES
タイヤと実験におけるドラム回転を模擬した速度（マッハ数 0.1）を境界条件として与える．

なお，計算領域外縁には圧力波の反射を抑えるためにスポンジ領域を設けている．図 2 は計算格子である．赤色がタイヤ周辺格子，黒色が背景格子であり，領域間の物理量内挿[9]で計算を行う．

— 8 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

図 2 タイヤ周辺格子（赤色），背景格子（黒色）(大きなゾーンのみ表示)

2.3 並列化に関してここで利用しているプログラム LANS3D はさまざまな形で多くの学術研究者や産業界の方々に利用していただいてきた．このプログラムは元々1980 年代半ばに開発したもので(例えば，文献[6]-[9])，その後，空間離散化を TVD 法へと修正[10]，時間積分法もより効率的で並列計算に適したものへと変更してきている（例えば，文献[11]）． 2000 年頃には，時間発展（流れの時間変化）を捉えることの重要性が高まり，乱流モデルを利用したシミュレーションの限界が見えてきた．その結果，DES (Detached Eddy Simulation)に代表される RAN/LES ハイブリッド法やLES (Large Eddy Simulation)の実形状への利用が拡がり，空間解像度の要求が急速に高まりはじめた．筆者らは，コンパクト差分法と呼ばれるスペクトル的空間解像度を有する離散化法に着目し，この手法を産業界が求める複雑形状に適用することを試みてきた(例えば，文献[12]-[14])．
圧縮性ナヴィエ・ストークス方程式によるシミュレーションのための計算プログラム LANS3D
はこのような経緯を経て現在の姿に至っている．さらに，本計算課題を含めて空力音響の直接シ
ミュレーションやマイクロデバイスによる流体制御など最近のシミュレーションは極度に密な格子解像度を要求する．基本的にシミュレーションプログラムはシンプルなものが望ましいが，ハードウェアがより複雑化し，かつシミュレーション時間が膨大になることもあり，さらなる並列化の工夫やプログラムの一部がマシン依存で異なることも起きてきている．現在の LANS3D は
基本的に各スーパーコンピュータの性能を十分に活かしているが，本課題のシミュレーション実施と並行して SX-ACE における各計算ルーチンの計算負荷分析を実施，センターの方々からさらなる高速化のヒントをいただいた．本報告は利用内容を広く知って頂くことを意図していることから，具体的な内容は省略させていただくが，今後のベクトル機に向けても有益な意見交換を行うことができた．
最後に本計算における並列化とおよその計算時間について記載する．並列化は計算領域を分割，その上で各領域に関してハイブリッド並列，すなわちノード内はスレッド並列（自動並列），ノード間は MPI による並列化としている．利用ノード数はケースによるが最大 32 ノード，計算時間
は 1 ケース最低で 160 時間である．タイヤの回転が初期状態から抜けて落ち着くところからデー
タ取得を始めることから「助走」にかなりの計算時間を要する．さらに，空力騒音を計算するにはスペクトル解析をするだけの時間領域のデータをとる必要があり，特に低周波までを対象とする場合さらに積分時間ステップ数を増やすことが求められる．本来なら，この数倍の時間積分幅を利用したいところであるが，計算資源や時間の制限からこの範囲のデータを利用した解析を実施している．左右の流れに非対称性が残っているのはこれが原因であることも付記しておく．

次世代低騒音タイヤ開発に向けた高精度流体音響解析— 9 —3．計算結果3.1

流れ場の比較

図 3 瞬間場の渦構造（左：Re=100,000 / 右：Re=150,000）
図 3 に瞬間場における圧力変動(色)と渦構造（Q 値）を示したものである．意図的に図の大きさも物理サイズにあわせてある．タイヤ幅の増加に伴い，タイヤ表面付近の圧力変動に少し変化が見えるが，定性的な意味では傾向に違いは見られない．ただ，左図の大きなタイヤ径の結果はタイヤ側方の細かい渦構造と圧力変動がより遠くまで拡がっているように見える．
図 4 は上方から圧力変動分布を見たものである．図 3 と同様に大きさスケールをあわせた表示による比較から，側面部の圧力変動の広がりの角度はタイヤ径が短い方が大きい．結果的に，タイヤ前方からの距離でおよその広がりを評価できそうであることを示唆している．強い乱れの開始位置はタイヤ前方からの距離で決まっているように見えるが，あくまで瞬間データからのプロットなので，より詳細な検討が必要である．一方，タイヤ前方における圧力変動はタイヤ径が大きい場合の方が若干であるが前方にまで拡がっている．タイヤ外径での周方向速度はタイヤ径に比例して増加する．その結果，タイヤ径の増加が回転するタイヤに空気が引きずられて生ずるタ
イヤ境界層の速度および形(大きさ)スケールが増加ししたことが影響したと想像される．

— 10 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

-0.01

Cp

0.01

図 4 瞬間場の圧力変動（左：Re=100,000 / 右：Re=150,000）

3.2

音響場の比較

図 5(a)-(d)に各周波数域における接地面上の空間音圧レベル(Sound Pressure Level; SPL)分布を示す．各図の上方半分が大きなタイヤ径の結果，下半分が（基本となる）小さなタイヤ径の結果を示している．また，実際の位置を合わせた音響場の比較のため，この図も実際のタイヤ直径を意識した大きさスケールで描画している．図 4 の結果からも想像されるように，タイヤ直径が増加することにより，広い周波数帯域でタイヤ前方の音圧レベルを増加させているのが観測できる．特に図 5(a), (b)における低周波域での違いが著しい．図 4 のところで述べたように，タイヤ直径の増加はタイヤ周方向速度と設置付近の形状スケールを増加させるため，タイヤの接地面積を増加させ，音源を前方に移動させる効果があると推測される．タイヤ側方の空間 SPL を見ると，タイヤ径にかかわらず中心位置から同じ距離のところからはじまっているように見える．また，タイヤ径が小さい場合に低周波においてタイヤ側方に強い空間 SPL の広がりが見えるが，この原因については今後の検討が必要である．

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次世代低騒音タイヤ開発に向けた高精度流体音響解析(a) St=3.2 (173 [Hz])(b) St=6.4 (345 [Hz])(c) St=12.8 (690 [Hz])(d) St=25.6 (1381 [Hz])図 5 空間 SPL 分布（接地面,下段- Re=100,000,w1.0,上端-Re=150,000,w1/1.5）

3.3

今後の研究計画

本報告では，スペースの都合もあってタイヤ径の効果だけについて報告した．同様に，今後はタイヤ幅などタイヤに関する他のパラメータの効果を１つ１つ見ていくことが必要である．すでに，縦溝の影響については溝幅や溝形状などを変化させたシミュレーションを多数実施して，最も影響するパラメータを同定することを試みている[5]．また，タイヤの騒音はタイヤトレッドパ
ターンと密接なつながりがあると推測される．そのため，横溝を入れたシミュレーションなど更なるシミュレーションの高度化を進めていく予定で，さらにコンピュータ性能の向上にあわせて実スケールのレイノルズ数へと適用対象を広げていく予定である．

— 12 —

4.

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）まとめ

騒音の少ない新しいタイヤを考える上で，タイヤが発生する騒音の発生メカニズムの理解が望まれる.実験では音響波の発生要因が流体変動か構造振動かを見けるのは難しく，それぞれの寄与分は明らかにされてない. タイヤが発生する空力音響について一連の研究を進める中で，今回はタイヤ径の影響を調査した．1.5 倍にタイヤ径を増やしたシミュレーション結果との比較により，タイヤ廻りの流れの変化，タイヤ付近の空間音響圧などを明らかにし，一定の知見を得た．ただ，定量的な評価は十分ではなく，明確な結論を出すにはさらなる解析が必要である．このような数値シミュレーションには高性能のスーパーコンピュータ利用が不可欠であり，並列プログラムのさらなる高効率化も必要となる．一連の成果は，高度な数値計算法，高性能のプログラムと高性能のスーパーコンピュータの３つの要素があってはじめて得られるものであったことを最後に付記しておきたい．

謝辞
まだ基礎的な段階のものでとはいえ，時間・空間的にこれまでにない解像度が要求される本研究における数値シミュレーションは先端スーパーコンピュータを利用してもかなりの計
算資源を必要とする．ここに記載させていただいた成果は，東北大学サイバーサイエンスセ
ンターの SX-ACE を利用することで実現できたものである．研究にあたっては同センター関係
各位に有益なご指導とご協力をいただいた．(当時の)小林広明センター長をはじめ，滝沢寛之，江川隆輔，磯部洋子の諸先生方をはじめセンターの皆様にこの場を借りて謝意を表した
い．
参考文献[1] 金田一哲，宇賀神誠也，野々村拓，藤井孝藏，池田俊之，小石正隆, “回転するタイヤのパターンから発生する空力騒音の数値解析,” 第 24 回数値流体力学シンポジウム，第 24 回数値流体力
学シンポジウム USB 論文，C8-3，平成 22 年 12 月
[2] I. Kaneda, T. Nonomura, K. Fujii, T. Ikeda and M. Koishi, “Computational Analysis of
Aeroacpustic Waves Induced by Rotating Tire,” ECCOMAS CFD 2010, Proceedings CD,
Laboratorio Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Lisbon, Portugal, June 2010.
[3] 阿部圭晃, 野々村拓, 近藤勝俊, 飯田大貴, 渡邉毅, 池田俊之, 小石正隆, 山本誠, 藤井孝藏,“回転するタイヤ周りに発生する空力音の数値解析(Re=100000),” 第 27 回数値流体力学シンポジ
ウム, 2013 第 27 回数値流体力学シンポジウム USB 論文集, A10-2,平成 25 年 12 月 18 日.
[4] D. Lee, K. Kondo, Y. Abe, T. Nonomura, T. Ikeda, M. Koishi, M. Yamamoto, and K. Fujii,“Analysis of Aeroacoustic Noise Generated from a Rotating Tire Using Large-Eddy Simulation,”
2nd Frontiers in Computational Physics: Energy Sciences, O4,17, ETH, Zurich, June 3-5, 2015.
[5] D. Kato, Y. Abe, T. Nonomura, A. Oyama, K. Fujii, T. Ikeda and M. Koishi, “Computational
Analysis of Aeroacoustic Noise Generated from a Rotating Tire with a Longitudinal Groove,”
The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 140, No. 4, 2016.
[6] K. Fujii, H. Endo and M. Yasuhara, “Activities of Computational Fluid Dynamics in Japan:
Compressible Flow Simulations,” High Performance Computing Research and Practice in Japan,
Wiley Professional Computing, pp. 139-161, JOHN WILEY& SONS, 1990.
[7] K. Fujii and H. Yoshihara, “NAVIER-STOKES BENCHMARK TESTS,” Supercomputers
and Their Performance in Computational Fluid Dynamics Ed. by Kozo Fujii, Notes on Numerical
Fluid Mechanics Vol. 37, pp. 105-126, Vieweg, 1993.
[8] K. Fujii, “Performance of a Japanese Vector-Parallel Supercomputers on Large-Scale
CFD Problems” "Solution Techniques for Large-Scale CFD Problems," Computational Methods
in Applied Sciences, Ed. by W. G. Habashi, pp. 123-137, February 1995.

次世代低騒音タイヤ開発に向けた高精度流体音響解析— 13 —[9] K. Fujii, “Unified Zonal Method Based on the Fortified Solution Algorithm,” Journal ofComputational Physics, Vol. 118, pp. 92-108, 1995.
[10] K. Fujii and S. Obayashi, “High-Resolution Upwind Scheme for Vortical-Flow Simulations,”
Journal of Aircraft, Vol. 26, No. 12, pp. 1123-1129, December 1989.
[11] K. Fujii, “Simple Ideas for the Accuracy and Efficiency Improvement of the Compressible
Flow Simulation Methods,” Proceedings of the International CFD Workshop on SupersonicTransport Design, Tokyo, March 1998.
[12] T. Arasawa, K. Fujii, and K. Miyaji, “High-order Compact Difference Scheme Applied to
Double-Wing Vortical Flows,” Journal of Aircraft, Vol. 41, No. 4, pp. 953-957, 2004.
[13] K. Fujii, T. Nonomura and S, Tsutsumi. “Toward Accurate Simulation and Analysis ofStrong Acoustic Wave Phenomena—A review from the Experience of Our Study on Rocket
Problems,” International Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol.64, pp.1412-1432,
December 2010.
[14] K. Fujii, “High-performance computing based exploration of flow control with micro devices,”
Philosophical Transaction A, Vol.372, pp.1471-2962, 2014.

— 14 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）［大規模科学計算システム］

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介
東北大学情報部情報基盤課 共同利用支援係

東北大学情報部情報基盤課 共同利用支援係
概要

概要
当センターでは、1993 年から非線形構造解析汎用プログラム
MSC.Marc と、そのプリ／ポストプロセッサである

当センターでは、1993
年から非線形構造解析汎用プログラム
MSC.Marc と、そのプリ／ポストプロセッサである
MSC.Marc Mentat をそれぞれサービスしています。
両ソフトウェアは、当センターの並列コンピュータでサービスしてMSC.Marc
Mentat をそれぞれサービスしています。 両ソフトウェアは、当センターの並列コンピュータでサービスしているアプリケーションソフトウェアの中でも、人気が高いソフトの一つとしてご好評をいただいております。
いるアプリケーションソフトウェアの中でも、人気が高いソフトの一つとしてご好評をいただいております。

1．はじめに1．はじめにMSC.Marc は有限要素法による非線形構造解析汎用プログラムです。 世界中で広く利用され最も評価を受けているプログラムの一つで、その扱える解析は以下の通り非常に広範囲にわたっています。
MSC.Marc
は有限要素法による非線形構造解析汎用プログラムです。
世界中で広く利用され最も評価を受

線形／大変形／弾塑性／剛塑性／破壊／熱伝導／動的非線形／境界非線形／流体と固体の連成／電気電動とけているプログラムの一つで、その扱える解析は以下の通り非常に広範囲にわたっています。

熱伝導の連成／熱と応力の連成
線形／大変形／弾塑性／剛塑性／破壊／熱伝導／動的非線形／境界非線形／流体と固体の連成／電気電動とMSC.Marc Mentat は、MSC.Marc の 会話型プリ／ポストプロセッサとして、有限要素モデルの作成およ
熱伝導の連成／熱と応力の連成び解析結果の表示が行えます。
MSC.Marc
Mentat は、MSC.Marc の 会話型プリ／ポストプロセッサとして、有限要素モデルの作成およMarc と Mentat の組合せによる解析の概略は、以下のようになります。

び解析結果の表示が行えます。

Marc と Mentat の組合せによる解析の概略は、以下のようになります。
プリ処理
Mentat

プリ処理

解析

→

Marc

解析

ポスト処理

→

Mentat

ポスト処理

モデルデータ

入力データ

出力データ

.mud

.dat

.t16

Mentatモデルデータ

→

Marc

入力データ

→

Mentat

出力データ

.mud
.dat
.t16
プリ処理では、メッシュ作成、初期条件、境界条件、接触条件の設定、材料特性、形状特性の定義を、解析では荷重履歴、解析実行を、ポスト処理では解析結果の表示を行います。

プリ処理では、メッシュ作成、初期条件、境界条件、接触条件の設定、材料特性、形状特性の定義を、解析では荷重履歴、解析実行を、
ポスト処理では解析結果の表示を行います。
2．Marc/Mentat の実行環境
Marc/Mentat の実行には、まず2．Marc/Mentatの実行環境 大規模計算システムの利用者番号
サイバーサイエンスセンターが最低限必要となります。センターの並列コンピュータ（front.cc.tohoku.ac.jp）でサービスしている
Marc
Marc/Mentatの実行には、まず（Marc
2014.2）で利用できる最大メモリサイズは
128 GB です。
サイバーサイエンスセンター
大規模計算システムの利用者番号が最低限必要となります。センターの並列コンピュータ（front.cc.tohoku.ac.jp）でサービスしている Marc

3．Mentatでのモデル解析例（Marc
2014.2）で利用できる最大メモリサイズは
128 GB です。
3．1 例題図 1 に示すような中央に円孔を持つ平板を、上下に引張る場合の線形弾性解析を行います。対象条件を考3．Mentatでのモデル解析例
慮して 1/4 モデルを使用し、2 次元要素でモデル化します。

3．1 例題モデルの寸法と材料特性は表 1 のとおりです。

図 1 に示すような中央に円孔を持つ平板を、上下に引張る場合の線形弾性解析を行います。対象条件を考慮して 1/4 モデルを使用し、2 次元要素でモデル化します。
モデルの寸法と材料特性は表 1 のとおりです。

— 15 —

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介p

表 1 モデル条件

L1

D

長さ L1(mm)100

長さ L2 (mm)100

板厚 t (mm)2.5

円孔の直径 D (mm)50

荷重 p (N/mm2)1

ヤング率 E (N/mm2)
ポアソン比ν

2.0 × 105
0.3

p
L2

図1

穴あき正方形板

3．2 Mentat の起動
センターの Mentat の起動には、並列コンピュータに SSH 接続する際に X forwarding の設定を行う必要があります。無事起動できれば、図 2 の Mentat ウィンドウが表示されます。センター外の PC 等にインストー
ルした Mentat を起動するには、センターのライセンスサーバを参照するために、ポートフォワーディングの設定と並列コンピュータへの SSH 接続が必要です。
以下では PC 版の Mentat 2016.0.0 で操作方法を説明します。PC 版を起動する場合はデスクトップのア
イコンをダブルクリックします。

図2

Mentat 起動画面

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

3．3 モデルファイルの保存
モデルファイルに名前を付ける。
(a)［ファイル（F）］［名前を付けて保存］(b) File name: plate(c) ［Save］

ab

3．4 形状の作成
モデルのベースとなる形状を作成する。
(a)［形状とメッシュ］タブ(b) 基本操作：［形状とメッシュ］(c) ポイント：［追加］(d) 25 0 0 <Enter>(e) 50 0 0 <Enter>(f) 50 50 0 <Enter>(g) 0 50 0 <Enter>(h) 0 25 0 <Enter>(i) アイコン［ビューに合わせる］

a
b
i
c

d 〜 h

c

— 17 —

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

3．5 形状の作成（続き）(a) アイコン［縮小］× 3 回(b) カーブの種類を選択：線(c) カーブ：［追加］(d) 作成したポイントをマウスの左クリックで順に選択(e) カーブの種類を選択：円弧 中心 / ポイント / ポイント(f) カーブ：［追加］(g) 0 0 0 <Enter>(h) 25 0 0 <Enter>(i) 0 25 0 <Enter>(j)［OK］

c
f
b

e

j

a

7

6

5

4

d
8

1

g

〜 i

2

3

— 18 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

3．6 要素の作成解析に用いる要素を作成する。
(a) 自動操作：［平面］(b) 四角形（オーバーレイ）：［四角形メッシュ！］(c) 全てのカーブを［左クリック］のドラッグで選択して［右クリック］(d)［OK］

e

a

h

c
b

d

3．7 要素の修正
重複接点を削除し、要素番号が連番になるように付け直す。
(e) オペレーション：［スイープ］(f)［全て］(g)［OK］(h) 基本操作：［再番号付け］(i)［全形状 / メッシュ］(j)［OK］

f
i

j

g

5

— 19 —

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

3．8 形状特性の定義
形状特性として、厚さ 2.5(mm) を定義する。
(a)［形状特性］タブ(b) 形状特性：［新規（構造）］［平面］［平面応力］(c) 厚さ：2.5 <Enter>(d) 要素：［追加］(e) アイコン［定義済み全て］(f)［OK］

a
b

e

c

d

f

3．9 材料特性の定義作成した要素に対して、材料特性を定義する。
(a)［材料特性］タブ(b) 材料特性：［新規（構造）］［有限剛性領域］［標準］(c) ヤング率：2e5 <Enter>(d) ポアソン比：0.3 <Enter>(e) 要素：［追加］(f) アイコン［定義済み全て］(g)［OK］

c
d

e
f
g

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

3．10 対象条件の定義
対象条件となる拘束条件を定義する。
(a)［境界条件］タブ(b) 境界条件：［新規（構造）］［変位指定］(c) □変位 X のチェックを ON(d) 節点：［追加］(e) 左端の対称軸上の全ての節点を選択(f) アイコン［リスト終了 (#)］

cまたはマウスの右クリック(g)［OK］(h) 境界条件：［新規（構造）］［変位指定］(i) □変位 Y のチェックを ON(j) 下端の対称軸上の全ての節点を選択(k) アイコン［リスト終了 (#)］
またはマウスの右クリックd(l)［OK］(m) 境界条件：□識別のチェックを ON

g

b

a

m

e

f

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非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

3．11 荷重条件の定義
上端の要素エッジに 1(N/mm2）の引張り荷重を定義する。
(a) 境界条件：［新規（構造）］［エッジ荷重］(b) □圧力のチェックを ON(c) 圧力：-1 <Enter>(d) エッジ：［追加］(e) モデル上端の要素エッジを全て選択(f) アイコン［リスト終了 (#)］またはマウスの右クリック(g)［OK］

a

e
b

c

d
f
g

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

3．12 解析ジョブの設定
解析の最終準備をする。

c(a)［解析ジョブ］タブ(b) 解析ジョブ：［新規］［構造］(c) □線形弾性解析のチェックを ON(d) 解析次元：［平面応力］(e)［解析結果］e(f) 利用可能な要素テンソル：［Stress］(g)［OK］

dfg

3．13 解析の実行
解析を実行する。

(a) 解析ジョブ特性ウィンドウ：［実行］(b)［モデル保存］(c)［Marc 実行（1）］(d)” 状況 ” と ” 終了番号 ” を確認し、正常に終了したら結果ファイルを開く(e)［ポストファイルを開く（モデルプロット結果処理メニュー）］

b

c
d

e

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非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

3．14 結果処理 1（応力分布のコンター図）
引張り方向（Y 軸方向）応力のコンター図を表示する。
(a) スカラープロット：［スカラー］(b)［Comp 22 of Stress］(c)［OK］(d) スカラースカラープロット形式：バンドコンター

a

b
c

d

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

3．15 結果処理 2（応力分布のグラフ化）
下端の対称軸上の引張り方向（Y 軸方向）応力をグラフ表示する。
(a) 結果処理タブ：［経路プロット］g(b)［節点経路］h(c) 対称軸上の左端の節点を選択(d) 対称軸上の右端の節点を選択(e) アイコン［リスト終了 (#)］またはマウスの右クリック(f)［カーブの追加］(g)［カーブの追加］(h) 変数：［弧長］(i) 変数：［Comp 22 of Stress］

i(j)［OK］

j(k)［適合］

a
b
f

e

k

c

d

— 25 —

非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

4．並列コンピュータでの解析実行「3．13 解析の実行」では、Mentat のメニュー上から PC 上で解析を実行する手順を解説しましたが、この章ではセンターの並列コンピュータで解析する手順を説明します。その前章の「解析ジョブの設定」まで
モデル作成を終えて下さい。
センターでサービスしている Marc のバージョンは 2014.2 なので、それより新しいバージョンの Mentat
で使用している機能の一部は利用できないことがあります。

4.1 インプットファイルのバージョン設定
Marc 2014.2 用のインプットファイルを出力するように設定する。
(a) 解析ジョブタブ：解析ジョブ：［特性］(b)［解析ジョブパラメータ］(c) バージョン：［2014.2］(d)［OK］bcd

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

4.2 インプットファイルの作成
Marc のインプットファイルを作成する。

(a) ファイル：書き出し：［Marc 入力］(b) ファイル名を指定：plate_job1 <Save>a

4.3 インプットファイルの転送
WinSCP などのファイル転送ソフトを使って、Marc のインプットファイル（plate_job1.dat）を並列コンピュータに転送します。このときファイルはテキスト形式で転送して下さい。

4.4 並列コンピュータでの Marc 実行
並列コンピュータにログインし、以下のコマンドでインプットファイル名を指定して Marc を実行します。
拡張子の .dat は入力しません。
run_marc -j plate_job1 -v n <Enter>
リクエストは ap キュー（アプリケーション実行用、実行時間制限無し、最大 128GB メモリ）に投入されます。

バッチリクエストの状態確認、キャンセルについては、サイバーサイエンスセンターホームページ、「LX406

プログラミング利用ガイド バッチリクエスト」をご覧ください。
http://www.ss.cc.tohoku.ac.jp/scalar/guide.html# バッチリクエスト

4.5 run_marc のコマンドオプション
run_marc コマンドには、様々なオプションが用意されております。ここでは、よく利用しそうなものだ
けを表 2 に載せておきます。その他については、マニュアル（C 編
参照ください。

プログラム入力

付録 B

表 B-2）を

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非線形構造解析プログラム MSC.Marc の紹介

表 2 run_marc コマンドオプション
キーワード

オプション

説明

-jid (-j) 必須

job_name

インプットファイル名を指定（.dat は省略）

-cpu

sec

CPU 時間の制限を秒で指定-ver (-v)

yes（デフォルト）/no バッチリクエスト投入前に確認をする / しない-user (-u)

user_subroutine_file

ユーザサブルーチンファイルを指定

4.6 出力ファイルの確認
解析が終了すると、主に以下のようなファイルが作成されます。解析結果 (.out ファイル ) 末尾の exit
number が 3004 であれば正常終了です。tail コマンドで plate_job1.out の末尾を確認します。
plate_job1.out( 解析結果 )plate_job1.log( 解析ログ )plate_job1.t16( ポストファイル )plate_job1.sts( ステータスレポートファイル )plate_job1.batch_err_log( エラーログ )解析時の指定によって、この他にもファイルが作成されます。それらのファイルの概要は、マニュアル（C編プログラム入力

付録 B

表 B-1）を参照ください。

解析結果ファイルの末尾にある exit number により、正常に終了したかエラー終了か、エラー終了の場合
はその原因がわかります。代表的な exit number とその内容を表 3 に示します。その他についてはマニュ
アル（C 編プログラム入力

付録 A プログラムメッセージ）を参照ください。
表 2 run_marc コマンドオプション

exit number

説明

3004

正常終了

13

入力データにデータエラーが検出された。

67

ライセンスエラー

2004
3002

剛体変位が発生している
または、全体剛性マトリクスが非正定マトリクスになっている
指定したリサイクル数で収束しない

4.7 ポストファイルのダウンロード
WinSCP などのファイル転送ソフトを使って、Marc のポストファイル（plate_job1.t16）を並列コンピュー
タからローカルの PC に転送します。このときファイルはバイナリ形式で転送して下さい。
14

— 28 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

4.8 解析結果の表示
ポストファイルを読み込んで解析結果を表示する。
(a) アイコン［結果ファイルを開く］(b) ファイルを選択 <Open>a

5． サンプルプログラム
・Marc

マニュアル E 編に掲載されている例題が、並列コンピュータ front.cc.tohoku.ac.jp の以下のディレクトリ

にあります。コピーしてご利用ください。

/usr/ap/MSC2014.2/marc2014.2/demo

・Mentat

マニュアルユーザガイドに掲載されている例題のプロシジャファイルが、並列コンピュータ front.

cc.tohoku.ac.jp の以下のディレクトリにあります。コピーしてご利用ください。
/usr/ap/MSC2014.2/mentat2014.2/examples/marc_ug/

6． マニュアル
MSC. 社のウェブサイトより PDF マニュアルがダウンロード出来ます。

https://simcompanion.mscsoftware.com/infocenter/index?page=content&cat=MARC_DOCUMENTATION&channel=DOCUMENTATION

7． テクニカルサポート
アカデミックユーザーは MSC 社のオンラインテクニカルサポートが利用出来ます。詳しくは MSC. 社のウェブサイトをご覧ください。

http://www.mscsoftware.co.jp/training_support/tech_support/

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[報 告]
［報 告］

小林広明センター長特別補佐が「情報化促進貢献個人等表彰」
文部科学大臣賞を受賞しました

本センター・センター長特別補佐の小林広明教授（情報科学研究科）が、平成 29 年度情報化促進貢献個人等表彰文部科学大臣賞を受賞しました。
この賞は、教育・科学技術・文化・スポーツの分野における情報化の促進に関し、教育の情報化、又は情報分野の研究開発等において、顕著な貢献のあった個人又は団体等について、文部科学大臣が表彰することにより、更なる情報化の促進を図るとともに、情報化に対する国民の認識と理解の醸成に寄与することを目的に実施されているもので、情報化月間の実施に併せて毎年表彰を行っております。今回の受賞は、受賞理由にもありますように小林教授の本センターにおけるスパコンへの取り組みが高く評価されたもので、今後、さらなる研究成果の推進が期待されます。
【受賞理由】
小林広明教授は、長年にわたり、我が国のスパコン要素技術の研究開発やスパコン政策の意思決定に深く携わり、我が国における計算機分野の発展及び人材育成に顕著な貢献を果たしてきました。
さらに、これまでの学術・産業利用のみにとどまらない新たなスパコンの在り方として、平時に学術利用されているスパコンを緊急時・災害時に減災のために役立てる取組みを行っています。
この取組みは東北大学が中心となって産学官で研究開発を進めている津波浸水・被害推計システ
ムに取り入れられており、さらに当該システムは平成 29 年 11 月より内閣府の総合防災情報シス
テムの一機能として採用されるなど、我が国の国民生活の安全・安心に資するものとして高い評価を得ています。

詳細：平成 29 年度「情報化促進貢献個人等表彰」～文部科学大臣賞受賞者の決定～
http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/29/09/1396368.htm

— 30 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

[報 告]
［報 告］

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点（JHPCN）
第9回シンポジウム報告
江川隆輔
スーパーコンピューティング研究部

この時期恒例となりました学際大規模情報基盤
共同利用・共同研究拠点シンポジウムが，平成29
年7月13日，14日の両日，東京品川The Grand Hallにおいて開催されました．本シンポジウムは今回で第9回を迎え，多数の参加者のもと活発な議論が展開されました．
学際大規模情報基盤共同利用・共同研究は，東北大学，北海道大学，東京大学，東京工業大学，
名古屋大学，京都大学，大阪大学，九州大学にそれぞれ附置するスーパーコンピュータを持つ8つの共同利用の施設を構成拠点とする「学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点」が, 超大規模数値計算系応用分野，超大規模データ処理系応用分野，超大容量ネットワーク技術分野，およびこれらの技術分野を統合した大規模情報システム関連研究分野，更には分野間に亘る複合分野の研究者らと取り組む学際的な共同利用・共同研究です．昨年度から，HPC分野の裾野拡大と我が国の高性能計算に関する研究の活性化を目的に，従来の一般共同研究枠に加えて，国際共同研究，企業共同研究，萌芽的研究枠が設置され，将来の我が国の学術・研究基盤の更なる高度化と恒常的な発展が大いに期待されています．これまで平成22年度から28年度の7年間において263件の課題が学際大規模情報基盤共同利用・共同研究として採択されており，そのうち当センターとの共同研究課題は，46件ありました．平成29年度は国際共同研究3件を含む46採択課題のうち，11件が当センターとの共同研究として採択されております．
本シンポジウムでは，昨年度採択された38件に及ぶ研究課題の成果発表，および今年度採択された46件の研究課題のポスター発表を通して積極的な議論が交わされたました．今年度の東北大学との共同研究として採択された課題の成果は，JHPCNウェブページ1)にて公開されております．ご興味のある方には是非，先進的，且つ多様な共同研究成果をご覧ください．来年度も，学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点の研究公募行う予定でおります．ご興味のあるかたは奮ってご応募ください．当センターの計算機科学を専門とする教員との共同研究の可能性を検討したい，手続き方
法が分からない等，本応募に関して不明な点などあります場合は，お気軽に当センター共同研究担
当窓口までお問い合わせください．
【JHPCNに関する問い合わせ窓口】joint_research@cc.tohoku.ac.jp【JHPCNホームページ】http://jhpcn-kyoten.itc.u-tokyo.ac.jp/ja/adoption.php

— 31 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）[報 告]－岩手大学グループ利用制度を利用して－高速計算サービスの機関利用
岩手大学情報基盤センター 中西 貴裕
岩手大学情報基盤センター 川村 暁
岩手大学情報技術室システム運用グループ 福岡 誠

岩手大学（以下、本学）では、平成 28 年 9 月 1 日から東北大学サイバーサイエンスセンター大規模科学計算システム（以下、大規模科学計算システム）を機関として利用している[1]。本稿では、機関利用するに至った経緯、機関利用への移行の際の検討事項及び本学での取り組み、現在の利用状況等について報告する。

1.

経緯

1.1 岩手大学の概要と以前の計算環境
本学の学部学生、大学院学生の構成（平成 29 年 5 月 1 日現在）を表 1, 表 2 に示す。表 1 中の理工学部は平成 28 年 4 月に工学部を改組して設置され、現時点での所属は 2 年次学生までである。工学部については、3 年次以上の学生のみが所属する。また、表 2 中の総合科学研究科は、
平成 29 年 4 月に博士前期課程に相当する 3 つの研究科（人文社会科学, 農学, 工学）を統合し、水産学、理学分野が新たに加わり設置され、現時点での所属は 1 年次のみである。博士後期課程は改組されていない。この総合科学研究科は地域創生専攻（現員 64）, 総合文化学専攻（現員 7）,
理工学専攻（現員 160）, 農学専攻（現員 54）により構成されている。
表 1 岩手大学学部学生の構成

表 2 岩手大学大学院学生の構成

学部
人文社会科学部
教育学部
理工学部
工学部
農学部
合計

研究科
総合科学研究科
人文社会科学研究科
教育学研究科
工学研究科
農学研究科
連合農学研究科
合計

現員
931
893
906
961
1034
4725

現員
285
20
40
283
55
112
795

1.2 情報基盤センターの業務・役割の変化と研究用計算機運用の課題
岩手大学情報基盤センター（以下、本センター）は、平成 27 年 3 月まで、総合情報処理センタ
ーとして、本学の教育・研究用計算機システムやキャンパスネットワーク, 情報教育, 情報ネットワークに関連する地域貢献等の業務を担っていたが、平成 27 年 4 月に事務系情報システムや情報セキュリティポリシーの運用, 学内向けの情報システム開発等の役割を担っていた総務部情報企画課と一体化し設置された。現在では、総合情報処理センター, 情報企画課双方の役割を引き継ぎ、本学の情報システム, 情報ネットワーク, 情報セキュリティ等、情報に関するおおよそすべての業務を担っている。
このように役割が変化するとともに、近年、情報ネットワークシステムの高度化や情報セキュ
リティ問題の増加に伴い、これらへの対応・対策のため必要となる費用・人的コストが増加し[2]、
研究用高速計算機の維持・運用のための費用・人的コストの削減が大きな課題の一つとなっていた。これを解決する方法の一つとして、本学以外が運営する計算サービス利用を検討した。

— 32 —

2.

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

検討事項

本学以外が運営する計算サービスの利用を検討する際、以下が主な検討事項となった。
1.
2.
3.
4.

これまでの研究用計算機（以下、旧研究用計算機）の運用費用で利用料を賄えるか
旧研究用計算機で使用されていたアプリケーションを使用できるか
これまでに学内ユーザ自身が作成したプログラムを容易に移行できるか
利用申請等手続きを簡便なものにできるか

1 については、旧研究用計算機では、最大 CPU 時間, 最大並列数, 計算優先度等によって利用料が異なるいくつかの利用クラスを設けており、その中には無料で利用できるクラスもあった。
研究用計算機利用の大半がこの無料のクラスであったため、学内ユーザの費用負担を避け、安心して利用できる環境を提供できなければ、計算機利用が進まず、本学の研究活動の停滞にもつながることを懸念した。このため、旧研究用計算機の運用費用予算の性格上、利用料の見通しを立てづらい従量課金制は避けたいと考えた。
2 についても、これまでの研究用計算機では、有限要素法 CAE を中心とする解析ソフトウェア
アプリケーションである ANSYS を使用したものがその利用の多くを占めていたため、このアプリ
ケーションが使用できることを検討事項とした。
3 については、学内ユーザがこれまで自身で作成し使用してきたプログラムを活かせるよう、
新たな環境で大きな手間なく動作させられることを条件とした。これにより、これまでの研究用計算機と類似のアーキテクチャであり、かつ、同じコンパイラ, 計算ライブラリが使用できるかが、検討事項となった。表 3 に旧研究用計算機の構成概要を示す。
4 については、実際の学内ユーザ利用時の使い勝手は言うまでもなく、利用のために必要な申請等手続きが本学情報基盤センタースタッフの作業も含め煩雑でなく、簡便なものとできるかも検討事項とした。
表 3 旧研究用計算機構成概要
CPU

Xeon X7542（2.66GHz）×20 合計120コア

メモリ

メモリ640GB（共有分散型）

ストレージ

13.2TB（FC接続）OS

SuSE Linux（SGI Performance Suite）

アプリケーション LSF（ジョブ管理）
Gaussian
ANSYS（Workbench, CFD, CFD HPC, Multiphysics , TurboGrid, DesignModeler）
Gridgen, Pointwise
FieldView
Intel Compiler（C++, Fortran）, MPI, MKL

これらの検討事項を踏まえ、いくつかの全国共同利用施設である情報基盤センター及び商用ク
ラウドサービスの調査を行ったところ、東北大学サイバーサイエンスセンター（以下、サイバーサイエンスセンター）で東北大学情報科学研究科向けに提供されている利用形態を適用していただくことで、本学が求めるものに限りなく近い条件で利用可能なことが明らかとなった。

3.

利用条件と利用に関する手続き

3.1 利用条件
サイバーサイエンスセンターから、定額での利用を前提に以下 2 つの利用形態をご提案いただき、本学では、固定での計算資源の割り当てを受けず他の利用者と同じ条件で利用する利用形態
2 を選択した。

— 33 —

高速計算サービスの機関利用

利用形態 1: 旧研究用計算機と同等～2 倍程度の規模の計算資源を固定・占有で利用
長所: 繁忙期でも他ユーザの影響を受けない
短所: 決められた以上の計算資源を利用できない
利用形態 2: 固定での計算資源の割り当てを受けず一般利用者と同条件で利用
長所: 非常に規模の大きな計算も可能
短所: 繁忙期など他ユーザの影響を受ける
現在、本学が機関として利用している条件は以下の通りである。
 一般利用者と同条件で利用可能なシステム等

ベクトル型スーパーコンピュータ SX-ACE

スカラー型クラスタ計算機 LX-406Re-2

三次元可視化システム

大判プリンタ ストレージ
1 人あたり 1TB まで利用可能
ユーザの費用負担で容量の追加も可能
 アプリケーション
 ANSYS を持ち込み利用可能
 サイバーサイエンスセンター所有の Gaussian09 を利用可能
 コンパイラ, 数値演算・MPI ライブラリ等を利用可能

3.2 利用に関する手続き等
本学ユーザが大規模科学計算シス
テムを利用する際に必要となる手続
き等の流れを図 1 に示す。
利用及び変更の申請については、本来、ユーザが直接、サイバーサイ
エンスセンターに申請するものとされているが、本学ユーザの利用状況の把握, 申請内容確認等のため、本学機関利用ではユーザからの利用・
図 1 利用に関する手続きの流れ
変更申請を本センターで受け付け、申請の記録と内容の確認後、サイバーサイエンスセンターに申請することとした。
ユーザからの利用相談については、本センターを介さず、サイバーサイエンスセンターに直接相談することとしている。
成果報告については、利用・変更申請と同様、本学でも成果を把握できるよう、本センターから学内ユーザに成果報告を依頼・収集・記録し、取りまとめたものをサイバーサイエンスセンタ
ーに提出している。

4.

機関利用への移行

機関利用への移行の流れを図2 に示す。大規模科学技術計算システムの正式利用を開始した
平成 28 年 9 月の約半年前となる
平成 28 年 3 月 24 日、サイバーサイエンスセンター長（当時）小林先生, 同技術専門員大泉様

図 2 機関利用移行スケジュール

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）にお越しいただき、ベクトル計算機・並列計算機の特徴や応用例, サイバーサイエンスセンター
で実施している利用支援の取り組み, 利用の流れなど、大規模科学計算システムの紹介を行った。
また、ユーザデータの移行や計算結果の確認等を行うための期間として、正式利用開始前の 2
カ月間を先行して大規模科学計算システムを利用できる移行期間とし、その開始日となる平成 28
年 7 月 1 日に、学内講習会「東北大学サイバーサイエンスセンター大規模科学計算システム利用講習会」として、システム紹介, 利用条件, 手続き, 具体的な利用方法, データの移行方法など
を実際の操作を交えて講習した。なお、移行期間中は、多くの利用申請があることが予想されたため、本センターで受け付けた申請を一旦留め置き、一週間分をまとめてサイバーサイエンスセ
ンターに申請することとした。
正式利用を開始する前日、平成 28 年 8 月 31 日には、本センターの教育・研究用計算機システ
ムの説明会中で、システム紹介等に加え、科学技術アプリケーションの配置（本学内でのみ利用できるものと大規模科学計算システムでのみで利用できるものなど）についての説明を行った。
これらセミナー・講習会・説明会はビデオ収録し、資料と共に VOD として、学内に公開している。

5.

機関利用移行後の状況

平成 29 年 8 月 31 日現在、109 人のユーザが本学から登録されている。当初、旧研究用計算機と同様のスカラー型計算機 LX-406 が多く利用されることを予想していたが、実際には、SX-ACEの方が多く利用されており、平成 28 年 9 月は LX-406 が SX-ACE の 10 倍以上のノード時間利用されていたが、その翌月からは逆転している。（図 3）
これは、SX-ACE の性能が高いことのみならず、新たに SX-ACE を利用する本学ユーザに対しても提供されているコード最適化等の利用相談や講習会など、サイバーサイエンスセンターによる手厚いサポートも要因の一つと考えている。講習会については、サイバーサイエンスセンターで実施されるものを、テレビ会議システムを介し岩手大学で受講している（平成 28 年度 5 回, 平成
29 年度 7 回）。受講した講習会はビデオ収録し、資料と共に VOD として、学内に公開している。

図 3 大規模科学計算システムの利用状況（ノード時間）

謝辞
本取り組みを実施するにあたり、東北大学サイバーサイエンスセンター関係各位に多大な協力をいただいている。
参考文献[1] 中西貴裕, 川村暁, “東北大学サイバーサイエンスセンター大規模科学計算システムの機関利用”, 岩手大学情報基盤センター報告Σ No.2, pp15-18, 2017 年 3 月（https://isic.iwate-u.ac.jp/center/sigma/sigma16.pdf）[2] 川村暁, “平成 27 年度および平成 28 年度の情報セキュリティに関する取り組み”, 岩手大学情報基盤センター報告Σ, No.2, pp45-47, 2017 年 3 月（https://isic.iwate-u.ac.jp/center/sigma/sigma16.pdf）

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

[報 告]
［報 告］

サイバーサイエンスセンターオープンキャンパス報告
小松 一彦
スーパーコンピューティング研究部

今年も 7 月 25 日と 26 日の 2 日間に渡り東北大学オープンキャンパスが開催されました．進学を考えている学生だけでなく，東北大学の研究や活動に興味・関心を持っている一般の方々や学生に向けて，年に 1 回開催されております．サイバーサイエンスセンターでは，大規模科学技術
計算を支える最新型スーパーコンピュータ，計算結果を分かりやすく可視化する三次元可視化シ
ステム，東北の大学ネットワークを支えるネットワーク機器，大規模計算機の歴史的資料を展示しているコンピュータ博物館を一般に公開しました．また，ネットワーク研究部，スーパーコン
ピューティング研究部，先端情報技術研究部の最新の研究成果を展示しました．
津波被害予測，熱中症予測など防災・減災を支えるスーパーコンピュータや，大学のインフラを支えるネットワークへの関心も高く，1200人以上の方々にご来場いただきました．計算機専用
サイバーサイエンスセンター2号館に導入されたスーパーコンピュータSX-ACEを見学し，写真撮影などを通じてスーパーコンピュータを身近に感じていただけたと思います．また，50インチモニ
タ12面からなる可視化システムでは，スーパーコンピュータでの計算結果の三次元立体視を体験していただきました．さらに可視化システムを活用した模擬授業は，立ち見も出る程の人気でみなさん最後まで熱心に聞き入っていました．その他，コンピュータ博物館での歴史的価値の高い
スーパーコンピュータやネットワーク機器，資料などの見学を通じて，スーパーコンピュータや
ネットワークが実生活にどのように役立っているのかを感じてもらえたと思います．研究開発部の展示では，情報セキュリティ・スーパーコンピュータ・サイバー医療に関する研究活動だけでなく，大学生活や大学での講義などについても大学教職員 や大学生達と交流しておりました．来
年度のオープンキャンパスも一般に公開する予定です．みなさまのお越しを心よりお待ちしております．

— 36 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）[Web 版大規模科学計算システムニュースより]
大規模科学計算システムニュースに掲載された記事の一部を転載しています。 http://www.ss.cc.tohoku.ac.jp/tayori/

利用負担金額の表示コマンドについて (No.248)

本センター大規模科学計算システムでは、利用者の利用額とプロジェクトごとに集計した負担額、請求情報を表示するためのコマンドとして ukakin, pkakin があります。また、利用者のジャーナル
情報とプロジェクトごとに集計したジャーナル情報を CSV 形式で出力するコマンド ulist, plist があります。これらのコマンドは、並列コンピュータ(front.cc.tohoku.ac.jp)にログインして使用し
ます。
コマンド名

機

能

ukakin

利用者ごとの利用額を各システム、月ごとに表示

pkakin

プロジェクトごとに集計した負担額、請求情報を表示

ulist

利用者ごとのジャーナルを CSV 形式で出力

plist

プロジェクトごとに集計したジャーナルを CSV 形式で出力

いずれも、前日までご利用いただいた金額を表示します。コマンド使用例は大規模科学計算システ
ムウェブページをご覧ください。
負担金の確認http://www.ss.cc.tohoku.ac.jp/utilize/academic.html#負担金の確認(共同利用支援係)

— 37 —

SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）― SENAC 執筆要項 ―１．お寄せいただきたい投稿内容
サイバーサイエンスセンターでは、研究者・技術者・学生等の方々からの原稿を募集しております。
以下の内容で募集しておりますので、皆さまのご投稿をお待ちしております。なお、一般投稿いただ
いた方には、謝礼として負担金の一部を免除いたします。
・一般利用者の方々が関心をもたれる事項に関する論説・センターの計算機を利用して行った研究論文の概要
・プログラミングの実例と解説・センターに対する意見、要望
・利用者相互の情報交換

２．執筆にあたってご注意いただく事項(1)原稿は横書きです。
(2)術語以外は、「常用漢字」を用い、かなは「現代かなづかい」を用いるものとします。
(3)学術あるいは技術に関する原稿の場合、200 字～400 字程度のアブストラクトをつけてください。
(4)参考文献は通し番号を付し末尾に一括記載し、本文中の該当箇所に引用番号を記入ください。
・雑誌：著者,タイトル,雑誌名,巻,号,ページ,発行年
・書籍：著者,書名,ページ,発行所,発行年
３．原稿の提出方法
原稿のファイル形式は Word を標準としますが、PDF での提出も可能です。サイズ*は以下を参照してください。ファイルは電子メールで提出してください。
－Word の場合－
・用紙サイズ：A4
・余白：上＝30mm 下＝25mm 左右＝25mm 綴じ代＝0
・標準の文字数（45 文字 47 行）＜文字サイズ等の目安＞
・表題＝ゴシック体 14pt 中央 ・副題＝明朝体 12pt 中央
・氏名＝明朝体 10.5pt 中央
・所属＝明朝体 10.5pt 中央
・本文＝明朝体 10.5pt
・章・見出し番号＝ゴシック体 11pt～12pt*余白サイズ、文字数、文字サイズは目安とお考えください。
４．その他(1)執筆者には、希望により本誌*（10 部以内の希望部数）と本誌 PDF 版を進呈します。
*2014 年末で、別刷の進呈は終了しました。
(2)一般投稿を頂いた方には謝礼として、負担金の一部を免除いたします。免除額は概ね 1 ページ
1 万円を目安とします。詳細は共同利用支援係までお問い合わせください。
(3)投稿予定の原稿が 15 ページを超す場合は共同利用支援係まで前もってご連絡ください。
(4)初回の校正は、執筆者が行って、誤植の防止をはかるものとします。
(5)原稿の提出先は次のとおりです。
東北大学サイバーサイエンスセンター内 情報部情報基盤課共同利用支援係
e-mail uketuke@cc.tohoku.ac.jp
TEL022-795-3406

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SENAC Vol. 50, No. 4（2017. 10）

スタッフ便り最近、休暇をいただいてインドネシアの大学の教員選考試験を受けるために母国のインドネシ
アに帰りました。久々の帰国でした。今回私が行ったところはバンドンという街で、首都のジャカルタからバスで 4 時間ぐらいのところにある街です。バンドンには、インドネシアで最も優れた理工系大学と評価されるバンドン工科大学（ITB）があります。私は、この大学の教員になるための第二選考試験を受けました。第二選考試験では、第一選考試験を合格した人々に対して 4 日
間をかけていろいろなテストが更に行われました。基礎的能力試験をはじめ、フィジカル・メン
タル両面の健康診断なども行われました。結構疲れましたが、試験会場ではほかのインドネシア人の東北大学卒業生たちと再会することもでき、楽しい経験でした。みんなも ITB の教員になりたいのですね。さぁ、第三（最終）選考試験に合格できる東北大学の卒業生が何人いるかな～楽
しみです。
ちなみに、ITB には東北大学の国際交流事務室（International Relation Office）があります。
この事務室を通して ITB-東北大学間の交換留学をはじめ、様々な国際的なプログラムが行われています。東北大学と結構関係の深いインドネシアの大学ですね。更に、材料科学のための HPC セ
ンターも ITB で建設される予定と聞きました。将来、サイバーサイエンスセンターと ITB との共同研究ができたらいいなと思います。（M.A.A.）

今年の夏、仙台では 36 日連続で雨が降りました。これは、史上最長だそうで、夏休みにアウト
ドアでのイベントを計画していた方にはうらめしい日々だったのではないでしょうか。せめて、秋こそは好天に恵まれてくれることを祈るばかりです。
さて、本誌でもときどき紹介させていただいておりますが、サイバーサイエンスセンター１階にある展示室は 2010 年に情報処理学会から「分散コンピュータ博物館」として認定され、一般の方々にも公開されております。東北地区では、本センターが唯一の認定機関で、貴重な歴史的資料が展示されていますので、ぜひぜひ足をお運びいただきますようお願いいたします。なお、公開は土日
祝日を除く午前 9 時から午後 5 時となっております。（A.I.）

SENAC 編集部会
滝沢寛之 水木敬明 後藤英昭 江川隆輔
伊藤昭彦 吉田貴子 大泉健治 小野 敏
斉藤くみ子

編集・発行

印

刷

平成 29 年 10 月発行
東北大学
サイバーサイエンスセンター
仙台市青葉区荒巻字青葉 6-3
郵便番号 980-8578
東北大学生活協同組合
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