VOL.

ものづくりに HPC を活用するためのツールとケーススタディー

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計算工学ナビ・ニュースレター2021年秋号

計算工学ナビ・レポート

都市・建築 CFD コンソーシアムにおける「富岳」を利用した取り組み

東京工業大学「富岳電池課題」の進捗と今後の展望

田村 哲郎

物質・材料研究機構 館山 佳尚

FMOプログラム「ABINIT-MP」のA64FXスーパーコンピュータ向け高速化と大規模化
立教大学

望月祐志 ・ 国立医薬品食品衛生研究所 中野 達也 ・ 計算科学振興財団 坂倉 耕太「PHASE/0」の開発状況と「富岳」
での利用の展望

物質・材料研究機構

奈良純・大野隆央特計算工学ナビ・レポート
集

都市・建築 CFD コンソーシアムにおける「富岳」を利用した取り組み～極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化をめざして～
国連の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）
は、2021年に公表した最新の報告書で、産業革命前からの世界の平均気温の上昇幅が今後20年間で1.5度に達する可能性があるとしています。こうした気温の上昇は、
すでに世界各地に熱波や豪雨などの異常気象をもたらしています。日本でも、
猛暑による熱中症の増加や豪雨による河川の氾濫や土砂災害、台風の強風被害など、
極端気象災害が数多く発生しています。都市・建築 CFDコンソーシアムの田村哲郎氏らは、「富岳」などのスーパーコンピュータを用いたHPCによる極端気象災害のリスク評価や都市・建築のレジリエンス
（復元力）
強化をめざ
した実証研究を推進しています。田村哲郎氏にその取り組みや成果についてお話をうかがいました。

都市・建築の防災課題を明らかにして強靭化を図る
都市・建築 CFD コンソーシアムの取り組みについてご説明ください。

計手法ではカバーしきれない被害が、都市や建造物にもたらされる可能性が出てきます。

そこで、私たちは「富岳」などのスーパーコン

ピュータを活用して、極端気象下での都市・建東京工業大学

田村 哲郎 名誉教授得られているのですか。
コンソーシアムでは、2014～2019年度に実施されたポスト「京」重点課題④「観測ビッグ

築物のシミュレーションを実施することによっデータを活用した気象と地球環境の予測の高度しながらシミュレーションによる推定可能性をシミュレーション技術を構築し、スーパーコンて被災度を推定したり、実際の被災状況と比較化」との協働により、都市・建築物の強風災害検証し、現行の設計指針の妥当性を確認するな

ピュータを用いた耐風や竜巻による建築物の被物の持続性や脆弱性の共通認識を醸成しつつ、

いては、一緒にやらせていただいた気象分野のざした研究を行ってきました。ただ、現在ではにも働きかけていこうとしています。一方、大活用しています。こうした気象モデルにより極スク評価や都市・建築のレジリエンス強化を目

ンソフトの実用化をめざして気象モデルとの連予測ができるようになってきました。ただ、気とは、最近の地球温暖化に伴って起きる極端なにおける将来の都市の再現と、極端気象現象にションするかを推定するのは、非常に難しい解を踏まえた答えを導き出し、今後の都市・建築

かつては、「示された気象場では風速がこれく

これまでは主に建築物の耐風設計における数値流体計算（CFD）適用方法の確立を目的に、産学官の連携によるコンソーシアム形式でソフトウェアの開発とともに実証評価や実用化をめ耐風設計だけに限らず、極端気象災害によるリ的として研究を推進しています。極端気象現象

気象現象のことです。例えば、最高気温が35℃

以上の猛暑日や河川の氾濫や土砂災害をもたらす1時間降水量が50mm 以上の強い雨、台風にど、自然災害のインパクトに対する都市・建築

産業界においては基盤技術の認証制度や法改正

学・研究機関は、開発した先端的シミュレーショ
載を進めています。将来的には、サイバー空間

よる極大なインパクトの作用に対する不確定性物のレジリエンス強化ならびに防災・減災に向伴う強風や竜巻などがあげられます。さらに温けて適切な道筋を創出することをめざしています。

り、これまで以上の強風や豪雨も心配されていどのような極端気象現象がどのくらいの頻度で暖化によって台風が強大化するともいわれておます。そうなると、これまで考えられてきた設起きるのかといった気象に関する予測データは害推定などを行ってきました。気象データにつ研究者らが開発した非静力学気象モデルなどを端気象現象と呼ばれる極大な台風なども再現や象現象と都市・建築物がどのようにインタラク
析になります。

らいだから建物周りにはこの程度の風が作用するだろう」といったとても甘いコネクティビティ
でやっていました。しかし、今では得られた時
空間データをすべてつなぎ、建物の周りの流れがどうなるのかを的確に予測できるようになっ▲︎気象モデル・工学LES ハイブリッド解析のイメージ▲気象モデル・工学LES ハイブリッド解析手法

極端気象の発生と市街地の乱流場、それぞれを正確に取り扱うため、各々の従来モデルで計算。接続の際、耐風性能評価で重要となる気象場の高周波変動の復元を乱流の性質に基づいて実施。

2

計算工学ナビ Vol.21

2018年台風21号が日本に来襲した際の大阪市中心部における強風の乱流解析
結果。気象モデルによって気象擾乱の構造を再現し、得られた気象場から実都市の高解像度LESを実施。

Kawaguchi, M., Tamura, T., Mashiko, W., Application of hybrid meteorological model/
engineering LES analysis to very strong typhoon Jebi 2018, In proceedings of the
13th International ERCOFTAC symposium on engineering, turbulence, modelling andmeasurements (ETMM13), 2021.

ています。実際には、建物の周りの風の流れは、
建物自体も影響して歪められます。あるところはより速い流れになり、あるところでは抑えられて遅くなる、そこまで現象を明らかにしていかなければ防災に役立つシミュレーションは実現しません。これは風だけでなく雨も同じです。

いメソ気象モデルでも解像度は1km 程度。建築

側の工学系 LES モデルでは、数十 km 四方の解析が限界ですから、そのままでは分解能が大きく異なり、連続した変動性状が捉えられず両者を接続させることはできません。そこで、気象モデルで表された上空の大きなスケールの乱れ

例えば豪雨による洪水についても、どの川が氾と、地表近傍で生成される工学的な乱流場、こるかがシミュレーションされてきましたが、本を構築しました。乱流場のエネルギーを詳しくで予測することが必要です。そのためには流れ渦）しか出ませんが、建物周辺の乱流場を理解濫するとどこに洪水が発生してどれだけ浸水す

当なら洪水が建物にどのように作用するのかまの二つの変動場を再現しながら解いていく手法

見ていくと、気象場では低周波数領域（大きなたとき、建築物との相互作用により低圧部ができて、竜巻はそこに吸い寄せられるように移動し、そこで停滞するような動きを見せます。その結果、建物に大きなインパクトを与える可能性が生じる、そうしたことも明らかになりました。

今後は熱波や豪雨についても見ていくことができるようになるのでしょうか。

流体場についてはLES 手法が確立されており、

気温のモデル化も行われています。雨についててきた濁流と建物とのインタラクションを評価するにはより高周波数領域（小さな渦）まで必はこれからですが、雨の解析も行われており、私たちとしては、気象モデルによって再現され象場に足し合わせるというものです。この気象ています。いずれにしても重要なのは、気象場

できなければなりません。

た風・水分・熱などの影響をどんどんダウンス

ケールさせていき、都市から市街地、建物群へ、一つひとつ追いながら実際の建物に及ぼし得るインパクトを推定したい、つまり人間の生活空

要ですから、気象場の高周波成分を算出して気場高周波成分の再生成計算によって、気象場の構造に基づく物理的な高周波変動を速やかに生成することが可能になり、気象現象と都市に流入する乱流場をつなぐことができるようになり間に及ぼす景況を評価したいわけです。しかしました。

につなぐかが非常に難しいのです。そこが研究ご説明いただいたものが「気象モデル・工学

ながら、気象データを都市・建築物とどのよう開発の大きな課題でした。

「気象モデル・工学LES ハイブリッド
解析手法」の構築
気象モデルによる大きなスケールの現象と都市・建築物の周りの小さな現象を的確に結び付けることが必要だったのですね。

いずれはドッキングさせることができると考えで見えている大き過ぎる現象をより細かいスケールの情報として取り出すかということです。これは風だけでなく雨も同じです。例えば豪雨による洪水についても、どの川が氾濫するとどこに洪水が発生してどれだけ浸水するかは、すでにシミュレーションされていますが、本当なら洪水が建物にどのように作用するのかまで予測

LES ハイブリッド解析手法」ですね。これによすることが必要です。そのためには流れてきた響を理解することが可能になったわけですね。

ければなりません。

り、台風や竜巻などによる都市・建築物への影

具体的な解析の一例として、2012年5月6日に発生し、茨城県つくば市に大きな被害をもたらした「つくば竜巻」の事例を紹介しておきます。この竜巻については、気象庁気象研究所の益子渉氏らが超高解像度数値シミュレーションを実施し、その内部構造などを明らかにしてい濁流と建物とのインタラクションを評価できな

変容する都市・建築物の自然擾乱対応の性能設計をめざす
田村先生は、今後、「富岳」を活用してどのような研究を進めていかれるのですか。

建築工学側では、計算負荷を抑えながら複雑ます。もちろん、そこには建築物は入っていま

エディ・シミュレーション（LES：Large-Eddy

建築物にどのような影響をもたらすのか、実被によって都市・建築物の形態を、合理性を持た風の影響評価をシミュレーションしました。そあります。例えば、東京の渋谷などを見ると、な乱流場を高精度にシミュレートするラージ・
Simulation）の開発が進められてきました。現状では、建物群を表現した解像度１m 以下の解析も可能な高分解能モデルとなっています。気象分野でも大気境界層や雲を対象にLES モデルは開発されていますが、気象モデルは最も細かせん。私たちは、「つくば竜巻」が発生したとき、害推定なども含め、さまざまな条件下で竜巻の建築の世界には、メタボリズム（新陳代謝）せながら徐々に変容させていくという考え方がの結果、平坦な地表と周りに建築物がある場合

とんでもなく密集しているわけです。高層建築

明らかになりました。例えば、建築物に近づい

市街地に極大台風が襲来したらどのようなリスとで、移動経路や速度が大きく変化することが物が次々に建てられています。このような東京クがもたらされるか、さらにカーボンニュート

ラルが求められるなか密集した都市には環境面

でどのようなデメリットがあるか、こうしたことを考えたとき、メタボリズムの考え方からす
れば、都市は密集から離散の概念によって変化していくだろうと考えています。そんな未来の変容する都市を想定して、建築物をどのように改変・移動・分散・開放させていけばよいのかをシミュレーションによって評価するとともに、将来起こり得る極端気象現象に対する都市・建築物のレジリエンス強化を実現させていきたい。

そのために、データサイエンスに基づいたメタ
ボリズム的に変容する都市・建築物モデルをサ

イバー空間上に再現して都市機能を定量的に理解したり、気象モデルと工学 LES を緻密に融合させることによって、極端気象下での都市・建▲つくば竜巻（2012年5月6日 つくば市北条地区における建築物の実被害推定 )M. Kawaguchi, T. Tamura, W. Mashiko, H. Kawai. (2019). Assessment of Tornado-Induced Building Damage
Using a Hybrid Meteorological Model/Engineering LES Method: In Case of Tsukuba Tornado in 2012. 10th
European Conferences on Severe Storms, Krakow, Poland.

築物の防災性能予測を向上させるための研究開発を行っていこうとしています。こうした研究開発を通して、自然起源の擾乱の都市・建築物
へのインパクト推定技術や高度な性能設計を確立し社会に役立てていきたいと願っています。

3

特計算工学ナビ・レポート集「富岳」成果創出加速プログラム「次世代二次電池・燃料電池開発によるET 革命に向けた計算・データ材料科学研究」「富岳電池課題」の進捗と今後の展望
文部科学省「『富岳』成果創出加速プログラム」
は、「富岳」
を用いた成果を早期に創出することを目的として2020年度より19課題が進められています。
「次世代二次電
池・燃料電池開発によるET 革命に向けた計算・データ材料科学研究」（富岳電池課題）
は、「産業競争力の強化」
領域の課題の一つとして選定され、わが国の新規電池
材料開発・実用化への貢献とともに、エネルギーに関わる物理・化学・材料科学をつなぐ新しい学問体系の構築を視野に入れながら研究開発が進められています。課
題責任者を務める館山佳尚氏に同課題の取り組みについてお話しいただきました。

カーボンニュートラル実現に必要な二次電池・燃料電池
世界の国々がカーボンニュートラルを宣言し、“ 脱炭素社会 ” 実現に向けた動きが加速しています。
「次世代二次電池・燃料電池開発によるET 革命に向けた計算・データ材料科学研究」（富岳電池課題）が取り組んでおられる研究開

発は、まさに日本の産業競争力強化に欠かせない重要な課題ですね。

わが国は2050年までにカーボンニュートラル

の実現をめざすことを宣言しています。世界では、EU が2035年ころにガソリン・ディーゼル

新車の販売を禁止すると発表するなど、二酸化炭素排出に厳しい目が向けられています。もちろん二酸化炭素を減らすことは重要ですが、それに伴う安定したエネルギー供給のための技術開発も欠かせません。エネルギー・環境技術の革新による持続可能な社会実現には太陽光発電

や風力発電などもありますが、二次電池（エネ

ルギー貯蔵）および燃料電池（エネルギー変換）▲二次電池と燃料電池の仕組み

4

計算工学ナビ Vol.21

物質・材料研究機構

館山 佳尚 エネルギー・環境材料研究拠点 副拠点長の次世代技術の確立と実用化こそが中心的課題

極の間にある電解液の中をリチウムイオンが移

車載用二次電池の世界シェアを見ると、2013

燃料電池は酸素極と水素極の間の電解質膜をプであると私たちは考えています。

年には日本製品が世界シェアの75％を占めていましたが、その後中国が躍進し、日本のシェアは2割ほどにまで減少してしまいました。原因の一つはコスト競争力といわれますが、開発競争も過酷であり、日本製品の高い安全性や高容量化といった技術的優位性を今後も維持していくためには、研究開発を加速し、新たなブレイ

クスルーが必須です。こうした先端的技術基盤を発展させて産業競争力を強化することは、日本にとって最重要課題といえます。そのためにもスーパーコンピュータ「富岳」を最大限活用

する「富岳電池課題」は、先端的計算・データ
材料科学研究により新規電池材料開発・実用化をめざす、まさにカーボンニュートラル実現に貢献できる研究開発テーマなのです。

今回の研究課題で、二次電池と燃料電池を組
み合わせておられるのはなぜですか。

二次電池（リチウムイオン電池）は正極と負動することによって充電と放電が行われます。
ロトン（水素イオン）が通過して酸素側に移って水をつくるときに電気エネルギーを取り出す仕組みです。二次電池が電池本体に電気エネル
ギーを蓄えているのに対して、燃料電池は外部からの燃料供給により電気エネルギーをつくり出す発電装置ですが、電極の間を移動するリチ
ウムイオンとプロトンにより放電と発電が起きる両者の仕組みはとてもよく似ていて、二次電
池と燃料電池を一緒に見ていくことで、一方の知識がもう一方にも役立つといった新たなブレ
イクスルーが生まれるのではないかと考えたわけです。

4つのサブ課題で世界最先端の研究を推進「富岳電池課題」では、二次電池、燃料電池それぞれが２つのサブ課題に分かれていますね。

▲「富岳」画像提供／理化学研究所

二次電池については、「電解液系次世代二次

正極活性が低いことによる内部抵抗の問題、白で育成された人材や整備されたアプリ資産、構

燃料電池については、「燃料電池の電極界面反による劣化問題を克服する必要があります。シ

トワークを総動員して実施されています。現応の詳細を明らかにし、低白金化と脱白金の観

プリケーションは「富岳電池課題 主要アプリ

では、さらなる高性能化、高耐久性化、薄膜化、力学ソフト「stat-CPMD」、同じく「STATE」、

電池（A-1）」、「二次電池・全固体電池（A-2）
」、
応（B-1）」、「燃料電池の電解質膜・プロトン輸送（B-2）」が設定されています。

二次電池に関しては、材料でサブ課題の1と2を分けています。将来的に重要になってくるのが全固体電池で、これを A-2で扱っています。
全固体電池は液体だった電解質を固体にした電池で、液漏れの心配がなく、小型・大容量化が可能、熱や環境変化に強く寿命が長いなどの特性があり、次世代電池の筆頭といわれています
が、硫化物電解質系の全固体電池は界面における化学的・電気化学的不安定性やイオン伝導抵抗の増大が大きな課題になっています。また、

金の酸性溶液への溶融や負極の一酸化炭素被毒
ミュレーションによって電極構造および電極反点から研究を進めています。電解質膜（B-2）
コストダウンが実用化や普及に向けた大きな課

題になっています。そのため、全原子 MDシミュ
レーションによる高分子電解質膜のプロトンや水素・酸素の輸送係数の予測、力学特性の評価を迅速に行う技術、また燃料電池界面におけるン電池をまとめています。これらの革新型液系二次電池では、電解液の高性能化・高安全化および電極 - 電解液界面の高安定化が大きな課題

であり、電気化学的安定性が高く燃焼リスクを展開しています。また、二次電池・燃料電池の実築してきたアプリを活用していくことになります。

面シミュレーションコンソーシアムや企業との共カーボンブラックに担持した触媒が使用されており、白金の希少性と高価格によるコスト問題、

二次電池、燃料電池開発において、計算・デー

として燃えない電解液の開発、全固体電池の燃料電池を対象に電子・分子レベルからの電池

負極ともに、白金を主成分とする貴金属合金を基礎研究の成果を踏まえ、応用研究に向けて構計算科学が果たす役割はますます重要に築し、技術移転や成果創出を加速しています。

の解明に取り組んでいます。

けています。電極（B-1）については、正極・計算や新規通信アルゴリズム（MTD法）によりタ材料科学が果たす役割の重要性についてはど

2014～2019年に実施された「ポスト『京』重サブ課題 B は、電極界面反応と電解質膜で分最適化によって1.3倍の高速化を果たしています。

同研究などによる産官学の強力な連携体制を構

減らせる高濃度電解液などの革新型電解液の電解液構造や電気化学反応性に関する微視的機構

岳」に向けた最適化を進めています。例えば、高速化を実現しています。今後は、これまでの用化を目標とする国家プロジェクト、電気化学界

を正極とする電池）などのポストリチウムイオ

してきた機能をより高度化させるとともに「富化学・材料科学の基礎原理や計算・データ科学に関する微視的機構を明らかにすることをめざ

ネシウムイオン電池、空気電池（大気中の酸素「MODYLAS」などがあります。それぞれ構築「MODYLAS」では高速多重極展開法（FMM）

技術について常に情報交換を行いながら研究を

二次電池を扱い、ナトリウムイオン電池、マグ

混合 MC/MD 反応法化学シミュレーションソフ

ト「RedMoon」および古典分子動力学ソフト

これら4つのサブ課題では、それぞれ世界最先設計技術などの確立を推進しています。

ことが重要課題となっています。A-2では、こしています。一方の A-1は、電解液を使用するの特徴」に記載しているように第一原理分子動「stat-CPMD」では高速フーリエ変換（FFT）の端の研究を推進しつつ、お互いに共通する物理・れらの電解質材料の界面の安定性とイオン輸送

在、「富岳電池課題」で使用している主要なア

物質輸送の微視的な機構からの高性能電極界面

酸化物電解質系については硫化物系に比べて電気化学安定性が高いもののイオン伝導度が低い

築された産官学間の連携体制、そして人的ネッ

点課題⑤」のサブ課題 B において、二次電池、シミュレータ構築を推進してこられたと思いま
すが、「富岳電池課題」はその成果を引き継いだプロジェクトということですか。

その通りです。
「ポスト『京』重点課題⑤」のようにお考えですか。

二次電池に関しては、今後解決すべき課題開発などによる安全性の向上や高速充放電の実現などがあります。燃料電池に関しては、
劣化反応の抑制や電解質膜の高強度化といった耐久性の向上、反応の高活性化などによる高出力化、脱白金などによる低コスト化などの課題があります。こうした課題を解決していくためには、計算側と実験側の “ 二刀流 ” のやり方があり、どちらも重要であることはいうまでもありません。さらにデータサイエン
スによる材料提案や微視的機構の解明など計算側の果たす役割はますます重要になっております。私たちのプロジェクトにはインフォマティクス分野で国内第一人者といわれる先生方にも参加していただいています。
「富岳」などの計算資源を活用することにより第一原
理計算が容易にできるようになり大量のデータが獲得できるようになると、そのなかからどのようにして有効な情報や高い成果を導き出すかが重要になってきます。そこをきちんとやっていくことが、これからの一つの方向だと考えています。さらに先端的な計算によって新しい概念、新しい原理を見つけ出す、そのような計算をやっていくことも求められていると思います。二次電池に関しては電解液・固体電解質の材料設計や界面の微視的機構の解明などが、燃料電池に関しては電極材料設
計技術の確立や高分子電解質膜設計技術の確立などが、計算科学の取り組みによって進展することが期待されています。こうした課題の解決に向けて、「富岳」を有効活用していきたいと考えています。
▲富岳電池課題 主要アプリの特徴

5計算工学ナビ・レポート

FMOプログラム「ABINIT-MP」の
A64FX スーパーコンピュータ向け
高速化と大規模化

立教大学 理学部化学科

望月 祐志 教授●⃝●●⃝●

「ABINIT-MP」は、東京大学拠点の複数のプ
ロジェクト等のご支援を受け、20年以上研究開

高速化テストでは試行錯誤的に多くの計算を流すことになるため、粒度を揃えたペプチドモ

国立医薬品食品衛生研究所
生化学部 第四室

中野 達也 室長

計算科学振興財団
人材開発グループ坂倉 耕太 担当課長

間は78.3秒と165.1秒にまで低減されましたので、

Ala9GlyのMP2ジョブの加速としては2倍弱です。
この暫定改造版を用いて他のタンパク質もテス

発が続けられているフラグメント分子軌道（FMO）

デル Ala9Gly を用い、計算レベルは利用頻度がトしていますが、対象が大きくなるとモノマー

は Open Version 1 Revision 22（ 以 下、Ver. 1

2 Rev. 22によるFMO-MP2/6-31G*ジョブのコスり、加速効果が低減してしまいます。このため、計算のためのプログラムで、現在のリリース版

高い2次摂動（MP2）としました。図１は、Ver.

Rev. 22）[1]です。2020年度は、「新型コロナウ

ト分析の結果です（2ノード実行で12スレッド、岳』の優先的な試行的利用」の特別プロジェクよる）。”2電子積分 ”の生成が全コストの58%をい、「新型コロナウイルス関連タンパク質に対す算を行う”リスト作成”（4つの添字に応じた処理）

イルス対策を目的としたスーパーコンピュータ『富ト[2]のなかで Ver. 1 Rev. 22を「富岳」の上で用

8プロセスの条件：測定は後出の井上グループに締め、生成された積分からHF (Hartree-Fock)計るフラグメント分子軌道計算」（代表：望月）のと”Direct SCF”とで24%となっています。MP2を報告すると共に解説記事や記者発表などの広形変換する部分がコストを決しますが、DGEMM

名目で大規模なFMO 計算を実施し、文献 [3-6]
報活動も行いました。

2021年度は、HPCI課題 hp210026「新規感染症のための計算科学的解析環境の整備」（代表：化を試みています。図２は、改良されたFock 行

列構築の擬似コードで、積分添字の同値性をif

文で場合分けするのを止め、(1/2)n (n=1,2,3)の処理が可能です[7]。一方、HFはMP2の前の処

30% 程の加速が得られますので、上記の積分生

無撞着電荷（SCC）条件[8]を満たすまで反復され、その間で積分生成が繰り返されます（バッファリング無し条件）。従って、高速化の第一段階の（MD）シミュレーションで生成された多数の構●⃝●造サンプルを扱った統計的な相互作用解析を進●⃝●2電子積分のHF 計算での処理についても高速因子を予め乗じ、閾値判断だけでシンプルに寄望月）のなかで新型コロナウイルスに加えてインフルエンザウイルスも対象とし、分子動力学

SCCの反復回数を減らす方策を検討しています。

計算は、生成された2電子積分を4回に分けて線理で、特にフラグメントのモノマー段階では自己●⃝●SCCの反復が全コストの半分を占める状況とな

対象は2電子積分の生成部分としました。

与の加算を行うようにしています。この改良で成の SIMD 化と組み合わせる作業を現在行っています（2021年7月時点）。

●⃝●

最後に大規模化について触れますが、基本的な方針はフラグメント数の自乗的な大きさの配列群の「整理」です。未だ途上段階ですが、イ「ABINIT-MP」の積分コードは小原のアルゴ

ンフルエンザウイルスのタンパク質（PDB ID:野）で基底関数の軌道の型の組み合わせ毎に作

MP2と3次摂動（MP3）計算がcc-pVDZ基底で「不題 jh210036-NAH「FMO プログラム ABINIT-MP

して SIMD 化が有効であるため、OCL 指示詞の認済です。2021年度中に2万フラグメントの計算も並走させ、「富岳」と同じA64FX系である「不道の15個の組み合わせルーチンに対して手動でめています。サンプルの数は数百～1,000となる
ため、一構造のFMO計算を加速することが重要となってきます。こうしたことから、JHPCN 課

リズム[9]に基づいた自動生成ツール（開発：中成されています。A64FX では高速化のレシピとの高速化と超大規模系への対応」（代表：望月）老」（名古屋大学情報基盤センター）Type I サ

1KEN）の水和モデル、1.1万フラグメントの系の老」の1ラック（384ノード）で完走するのを確導入と変数のスカラ化などの作業を{s, p, d} 軌

を、上述の高速化を施した版で達成する予定です。

行いました。この改造によって、6-31G* 基底 で「ABINIT-MP」は Ver. 2系からは機能強化だけ●⃝●

ブシステムをプラットフォームに「ABINIT-MP」

は134.5秒 →124.5秒、cc-pVDZ 基 底 で は306.1

でなく、高速化と大規模系への対応を明確に試はサイエンティフィックシステム研究会（SS 研）た（「不老」で測定）。さらに、コンパイルオプ

習・データ科学による自動解析との親和性も強の改良を進めています。また、このJHPCN課題の活動と連動しています。本稿では、以下に主に高速化の状況をご紹介します。

秒→254.0秒にジョブの実行時間が短くなりまし

ションの変更とHF 計算で2電子積分のバッファ

リングのオプションを追加すると、各基底の時

行して展開することになります。また、機械学化されていきます。最初の公式リリース版はRev.

4（2021年夏）です。今後も、
「富岳」
、
「不老」
、

「Wisteria - Odyssey」（東京大学情報基盤センター）などのA64FX 系はもちろん、HPCI拠点のスーパーコンピュータでの「ABINIT-MP」のラ

イブラリ提供を続けていきます。

────────【謝 辞】────────「ABINIT-MP」Open Ver. 2系の開発整備は、

渡邊啓正氏（HPC システムズ（株））、奥脇弘次

氏（立教大学）らと進めています。JHPCN 課

題では片桐孝洋先生（名古屋大学）の研究室と連携しています。また、A64FX 上の高速化に関してはSS 研の井上晃氏（富士通（株）
）のグルー
▲図1
FMO-MP2/6-31G* 計算のコスト分析【引用（参考）文献 】▲︎図2
改良されたFock 行列構築の擬似コード[1] (http://www.cenav.org/abinit-mp-open_ver-1-rev-22/).
[2] (https://www.r-ccs.riken.jp/outreach/topics/fugaku-coronavirus/).
[3] R. Hatada et al., Appl. Phys. Expr. 14 (2021) 027003.
[4] S. Tanaka et al., J. Phys. Chem. B 125 (2021) 6501.
[5] K. Akisawa et al., RSC Adv. 11 (2021) 3272.

6

計算工学ナビ Vol.21

プに協力いただいていることを記します。

[6] K. Akisawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 60 (2021) 090901.
[7] Y. Mochizuki et al., Chem. Phys. Lett. 457 (2008) 396.
[8] T. Nakano et al., Chem. Phys. Lett. 318 (2000) 614.
[9] S. Obara et al., J. Chem. Phys. 84 (1986) 3963.

計算工学ナビ・レポート「PHASE/0」の開発状況と「富岳」
での利用の展望国立研究開発法人物質・材料研究機構

奈良 純 主幹研究員● PHASE/0の紹介

きな計算を行う研究者はPCクラスター、大型計

国立研究開発法人物質・材料研究機構

大野 隆央 特別研究員

上として、ハンドリングの向上（必須入力項目

算機を利用するというように、全く同じ操作での削減、入力ファイルチェック機能、解析・描われわれは昨年10月～本年3月には本格共用前

るようになっています。スケーラビリティに関し多様化（cif 形式対応など）、GUI（PHASE-Viewer）～来年3月には「一般課題」枠に参加し、第一原強スケーリング性能を持つ「PHASE/0」は、革スーパーコンピュータ「富岳」
（以下、
「富岳」
）

が本年4月から本格的に共用が開始されました。
の「試行的利用課題」枠に参加、及び本年4月
理電子状態計算プログラム「PHASE/0」のチュー

ニングを進めるとともに、水素燃料電池材料の

必要に応じた大きさのマシンの使い分けができて数万原子規模の系に対応可能な高並列性能と新的な特性を持つ次世代ナノデバイスや環境エ

ネルギー材料などの実現につながる研究開発に

画用ツールの追加など）、入出力原子座標形式のの強化などを行っています。また、対応するプ

ラットフォームの拡大（Intel系Linuxマシンに加

え、
「富岳」
、
「NEC SX-Aurora Tsubasa」、WSL、
M1-Mac への対応）なども行い、さまざまなマ

活用されています。また、講習会などを行い利シンで利用することができるようになっています。

次世代ものづくり」、ポスト「京」重点課題⑥「革もに、利用者間の交流として、ポータルサイト●「富岳」での利用

おいて、プログラム開発を進めてきました。これています。
「PHASE/0」は現在NIMSよりダウンているため、これまでのチューニングはかなりクなユーザーのほか、民間企業の利用も非常にOpenMP/自動並列を用いた共有メモリー型並列研究を進めています。

「PHASE/0」はHPCI戦略プログラム「分野４

新的クリーンエネルギーシステムの実用化」に用者のスキルアップ（特に初心者）を図るととの運用、ワークショップの開催などの活動を行っチューニングの基本的な考え方は「京」に似らのプロジェクトが終了した現在も物質・材料研

ロードが可能となっており、大学などのアカデミッ

発及び物質・材料の研究を進めています。これ

多く、アクティブユーザーは数百人以上います。

を組み合わせて並列を行っています。
「京」と比分野で、大学・民間企業で広く利用されています。

● 新機能の追加

ド内のコア数の大幅な増加のために共有メモリー

原子配置を、経験的データを用いずに基本的なンの専門家だけでなく応用研究の現場や実験はキャッシュチューニングなども有効です。用

「PHASE/0」は密度汎関数理論 (DFT)という計実験解析との比較のしやすさの向上のために、究機構（NIMS）が中心となってプログラムの開までにも半導体・構造材料・絶縁体などの研究

第一原理計算とは、物質・材料の電子状態・方程式だけを使って求めることを意味します。

「PHASE/0」には、基礎研究やシミュレーショ

家がツールとして使えるように、使いやすさや算手法を基に、金属・絶縁体・半導体といったさまざまな計算・解析機能が搭載されていま適用し、高精度かつ大規模にその性質を予測・

造、電荷密度、それらを必要に応じて空間 / エ

あらゆる材料に対して第一原理電子状態計算をす。基本的な計算機能（エネルギー、バンド構

分析することができるプログラムです。

ネルギーで分解したもの、など）に加え、ここ「PHASE/0」が特に優れている点は、その強力

ま す。ESM（effective screening medium） 法、機能を持つソフトはいくつかありますが、PCレ

定の MD 計算、NPT 法、加熱・冷却 MD 計算、同じ分 野 の 他のプログラムと比 較してなスケーラビリティです。世界的に見ると同様のベルから「富岳」クラスの超並列スパコンにまで対応している無償ソフトはおそらく「PHASE/0」

有効です。MPIを用いたメモリー分散型並列とべてコアあたりのメモリーが小さいことと、ノー型並列を強化する必要があります。この改善に意されている計算ライブラリはかなり高速に動作するため、部分空間対角化、修正グラムシュ

ミット法による波動関数の規格直交化、波動関数と非局所ポテンシャルの積などにおける行列積などのライブラリを利用している箇所については非常に高い性能が得られています。しかし、数年ではさらに以下のような機能を追加していそのための前処理・後処理などにはまだ改善の

ELNES/XANES 解析機能、化学ポテンシャル一

後処理とを合わせて考えて改善を図っていきます。

原子閉じ込めMD 計算、バンドギャップ値を高余地が多々あり、ライブラリ利用箇所と前処理・
現在、「富岳」を用いて燃料電池の白金触媒近傍における高分子電解質と水の形状の長時間精度に計算するハイブリッド計算法（SC-DFT

MDシミュレーションを実施しています。触媒形

大きく異なるマシンで同じ操作で使うことのでい、射影バンド・バンドアンフォールディング

ルの形状に及ぼす影響を調べるため、白金触媒

初心者・規模の小さい計算を行う研究者は、１の連携（ASE、BoltzTraP、Bader 電荷）などでだけだろうと思われます。このように、規模のきることには大きなメリットがあります。すなわち、チップレベルのPCを利用し、熟練者・規模の大など）、vdW (van der Waals) 相互作用の取り扱状の違いがプロトンの伝導経路となる水チャネ

機能などのバンド解析機能、外部プログラムとの形状としては平板型とクラスター型の2種類をす（図１）。さらに、ユーザーの扱いやすさの向はDPD（Dissipative Particle Dynamics）シミュ◀ 図1
最近搭載された新機能の例

考慮しています（図２参照）。この構造の作成に

レーション、古典MDシミュレーションを用いています。クラスター型では平板型と異なり突き出た形状の原子が存在します。このような原子は一般に非常に活性が高いことが知られていますが、それが水チャネル形状・プロトン伝導経路にどのような影響を与えるかを今後明らかにしていく予定です。

◀ 図2
Pt 触媒 / 高分子電解質 /水の界面の構造モデル

PHASE System Software (PHASE/0) https://azuma.nims.go.jp/

7

今号の表紙気象モデル・工学 LESハイブリッド解析
図は2018年台風21号が日本に来襲した際、大阪市中心部における強風の乱流解析結果である。気象モデルによって台風特有の鉛直風速プロ
ファイル、境界層内のロール渦など気象擾乱の構造を再現し、得られた気象場からカスケード的に生成させた高周波乱流成分を付加した流入風を用いて、不均一な形態を持つ実都市の高解像度 LES を実施している。上空と地表付近の乱流場の相互作用により強風特性が得られ、台風の実態に近い条件での建築物の耐風性能の評価を可能にしている。
参考文献

東京工業大学 名誉教授 田村哲郎

Kawaguchi, M., Tamura, T., Mashiko, W., Application of hybrid meteorological model/
engineering LES analysis to very strong typhoon Jebi 2018, In proceedings of the
13th International ERCOFTAC symposium on engineering, turbulence, modelling andmeasurements (ETMM13), 2021.

編集後記
スーパーコンピュータ「富岳」は、2021年3月9日に、4月からの予定を前倒しして本格稼働を開始しました。また、6月に開催された「ISC2021」で発表された「TOP500」、「HPCG」などで 3期連続の世界第 1位を獲得し、本格稼働に華を添えました。
「富岳」は、2020年 5月に理化学研究所計算科
学研究センターへの設置が完了し、システムの調整を進めてきましたが、一方では早期に世界を先導する成果の創出をめざして「新型コロナウイル
ス対策を目的としたスーパーコンピュータ『富岳』の優先的な試行的利用」、「『富岳』成果創出加速プログラム」などで利用されてきました。本年度からはさらに多くの課題が選出され、産業競争力強化を推進する研究開発をはじめ、新型コロナウイルス対策、自然災害に対する防災・減災など、幅広いテーマで「富岳」を最大限に活用することが求められています。そこで、今号は、現在「富岳」を利用して進められている研究開発の事例を紹介することにしました。いずれも、今後の優れた成果が期待されています。

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発行日： 2021年9月1日
発

行： 東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1
office@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp