SENAC Vol. 56, No. 3（2023. 7）― 33 ―[JHPCN シンポジウム ]令和 5 年度 JHPCN 採択課題ポスター紹介
令和 5 年度学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠における当センター利用課題のポスター
7 件をご紹介します。
・jh230006 「プラズマ学際科学のためのリアル粒子シミュレーションの研究開発と応用」
研究代表者

大谷寛明(核融合科学研究所)

・jh230010 「QR 分解に関する高性能計算技術の研究」
研究代表者 深谷猛（北海道大学）

・jh230024 「日本全国のため池の治水利用の評価」
研究代表者

風間聡(東北大学)・jh230032 「Investigation of intramolecular magnetic interaction in rare-earth-based
molecular magnets」
研究代表者

・jh230050「回転デトネーションエンジンにおける燃焼器サイズ効果に関する数値解析」
研究代表者

・jh230056

Anas Santria (大阪大学)

松尾亜紀子(慶應義塾大学）「近代的メニーコアシステムにおける性能モデリング手法」
研究代表者

・jh230058

星野哲也(名古屋大学)「メニーコア CPU，GPU の最適なリソース割り当てに関する研究」
研究代表者

河合直聡(名古屋大学)

― 34 ―

SENAC Vol. 56, No. （3 2023. 7）

15th Symposium

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点公募型共同研究 2023年
年度採択課題j h 2 3 00 06

大谷寛明( 核融合科学研究所)

プラズマ学際科学のためのリアル粒子シミュレーションの研究開発と応用

参加者：宇佐見俊介1（副代表）、長谷川裕記1,2、森高外征雄1,2、沼波政倫1,2、樋田美栄子1,2、三浦英昭1、石黒静児1,2、堀内利得1,2、小谷 翼3 、大野暢亮4、川原慎太郎5、臼井英之6，三宅洋平6，田 光江7，小川智也8, 深沢圭一郎3，片桐孝洋9, 滝沢寛之10
1核融合研、2総研大、 3京大、 4兵庫県立大、5JAMSTEC、 6神戸大、 7情報通信研、8北里大、9名大、東北大10

１．研 究 目 的
プラズマ：宇宙の典型的な物質状態（地球惑星科学、宇宙科学、核融合科学、材料プロセス工学など様々な分野で研究対象）→多様な現象
各分野でのプラズマパラメータは異なる→プラズマパラメータを特徴的なスケールで規格化→共通の現象として議論 学際的な研究（例：プラズマ実験と太陽風―地球磁気圏―電離層でのプラズマ現象のアナロジー）
プラズマ科学：膨大な数の荷電粒子の集団から構成される巨視的な系であるプラズマにおいて生起される多様な複雑現象が研究対象
粒子シミュレーション（１９６０年代初期に最初に考案されたシミュレーションモデルの一つ）。荷電粒子と電磁場のダイナミクスを自己無撞着に解く。
利点：粒子運動という微視的ダイナミクスの追跡＋粒子‐波相互作用や粒子運動論的効果の正確な追跡
難点：メモリ量や計算速度の制限→実験装置サイズのような巨視的な系全体の計算が非常に困難（イオン・電子のスケール差：時間で103、空間で102程度）
最適化の困難→粒子に働く力の計算や電荷密度・電流密度の計算でメモリへのランダムアクセス発生。
並列化の困難→均等な領域分割による並列化で偏った粒子密度分布が発生すると、並列負荷分散に偏りが発生
素過程の物理モデル（粒子間衝突や荷電交換、イオン再結合）は粒子間相互作用なので、粒子数𝑁𝑁𝑁𝑁に対して計算コストが𝑁𝑁𝑁𝑁 2
プラズマ実験や太陽・地球磁気圏プラズマを模擬する境界条件や実験装置のジオメトリーや境界条件の設定

実験や観測に即したシミュレーションモデルを構築・導入して、シミュレーションを実行する「リアル粒子シミュレーション」コードのための研究・開発
２．研 究 課 題
〇イオン・電子質量比を実際の値でシミュレーション〇素過程の物理現象を含むシミュレーション〇実験や観測など、現実に即した境界条件やジオメトリを含むシミュレーション→コードの最適化や高速化、並列化に対応したアルゴリズムの研究・開発、素過程モデルの最適化・高速化・並列化〇開発したコードの研究対象：プラズマ物理における微視的ダイナミクスの研究
高速粒子が励起する波動現象、ヘリカル系核融合炉に向けたジャイロ運動論研究、周辺プラズマにおけるプラズマ輸送現象、磁気再結合現象

３．今年度の研究計画
up3bd コードへの素過程実装：
Coulomb衝突（Nanbu法）と原子分子過程 （Null Collision法）を用いる
1次元PIC‐MCCコード（PAMCADE）の名大不老Type‐I（FX1000）への移植→同手法の up3bd コードへの実装を検討
up3bd コードの各システムへの移植：
up3bd コードの東北大AOBA‐B、並びに、京大Camphor3への移植
PASMOコ
コードの素過程実装
Coulomb衝突（Takizuka法）の導入
核融合炉周辺領域の弱電離プラズマの模擬
核融合炉周辺領域の弱電離プラズマを模擬する上で重要となる電離・再結合過程のモデル化、およびシミュレーションコードへの実装
高速粒子が励起する波動現象

低域混成波ならびにその高調波の非線形励起機構
磁場強度、プラズマ密度、高速イオンの速さなどが異なるシミュレー
ションを実行して、低域混成波の高調波が生成される条件を調べる。
低域混成波の非線形発展に重要な影響を及ぼす高速イオンの速度分布の崩壊・再構築に関して、その物理機構とパラメータ依存性を解析する。

低域混成波の非線形発展における高速イオン質量に対する依存性
高速イオンの種類は、核融合プラズマでは水素同位体とヘリウム、
宇宙プラズマでは水素、ヘリウム、酸素など様々なものがある。線形理論によると高速イオンの質量が大きくなると低域混成波は励起されにくくなるが、非線形発展については十分に調べられていない。電磁粒子シミュレーションを用いて研究する。
ジ ャイロ 運 動 論 研 究

プラズマ輸送現象の研究
素過程と輸送現象• 粒子衝突、中性粒子との素過程（非接触プラズマ過程）が、径方向プラズマ輸送現象に与える影響を解析する。
• 密度勾配が駆動する不安定性によるフィラメント形成
過程、イオン加熱過程などの研究を進める。
• 核融合周辺プラズマは絶えずコアからエネルギーが供給され、その足元には中性粒子が多く含まれる非接触領域が存在するという点で、太陽風－地球磁気圏－電離層結合系と類似しており、そのアナロジーの議論に
より実験室プラズマとスペースプラズマとの学際的展開をめざす。
磁気再結合現象アナロジー

球状トカマクのプラズマ合体実験の粒子シミュレーション• PASMOコードをもとに合体の断面（下図の黄色い枠で囲んだ図）を模擬するシミュレーションを実施する。
• 球状トカマクが合体する様子を再現する粒子シミュレー
ションを実施し、実験の結果と比較する。
• イオン速度分布などを詳しく解析して、加熱機構を探求する。リングの一部分のような形状の分布関数が見えており、PASMOによる磁気再結合の成果を適用できる可能性が高い。

静電場構造と熱負荷
非構造格子生成手法やポアソン方程式の反復解法を活用し、ヘリカ
ル核融合炉特有の周辺磁場構造における静電場構造と、それが核融合炉への熱負荷に対して与える影響を調べる。

球状トカマク合体実験

現在のシミュレー
ション領域

これまでPASMOで行っていたシミュレーション領域と、現コードの領域の関係

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第15回シンポジウム
2023年 7月6日、 7日

東京コンファレンスセンター・品川

SENAC Vol. 56, No. 3（2023. 7）― 35 ―

ᶈᶆᵐᵑᵎᵎᵏᵎᴾ（新規課題）

ᵯᵰ分解に関する高性能計算技術の研究
深谷 猛（代表・北大），鈴木 智博（副代表・山梨大），大島 聡史（九州大），
伊田 明弘（JAMSTEC），岩下 武史（北大），門倉 陣之介（北大・学生）

概要
主要な行列分解の一つであるQR分解に対して、その性能向上に資する高性能計算技術の研究開発を行う。現在、
QR分解に対して異なる特徴を有する様々な数値計算アルゴリズムが存在する。一方、計算が行われる環境も、マルチコアCPU、GPU、分散並列システムなどと多様化している。更に、計算対象となる行列も、縦長行列から正方行列まで多様な形状があり、加えて、Block Low Rank行列のQR分解のような新しい問題設定も登場している。この状況に対して、本課題では、QR分解に関連した研究実績を持つ研究者を集めて、各々が持つ知見や技術を土台とした上で、それらを柔軟に組み合わせることで、様々な状況におけるQR分解の高性能化の可能性を追求することを目指す。

◆ 実施項目ᵏ：ᵡᶆᶍᶊᶃᶑᶉᶗᴾᵯᵰに基づく列ピボット付きᵯᵰ分解アルゴリズムの開発• Cholesky QR型のアルゴリズムはHPCに適した特徴を持ち、縦長行列のQR分解において高性能であることが知られている。
• 列ピボット付きQR分解は行列のランクに関する情報を扱うこと（Rank Revealing QR分解）が可能で、行列のランク近似などの応用を持つ。
• 本課題では、Cholesky QR型の列ピボット付きQR分解アルゴリズムの開発を行う。
• 開発したアルゴリズムの性能を既存アルゴリズム（LAPACKのルーチンなど）と比較し、その有効性を検証する。

Cholesky QRアルゴリズムの概要◆ 実施項目ᵐ：非縦長行列のᵯᵰ分解に対するᵡᶆᶍᶊᶃᶑᶉᶗᴾᵯᵰアルゴリズムの活用• Cholesky QR型のアルゴリズムは縦長行列に対して高性能である一方で、正方行列に近い（非縦長の）行列に対しては性能に限界があることを確認済み。
• 本課題では、Block Gram-Schmidt（BGS）アルゴリズムとCholesky QR型アルゴ
リズムを併用し、非縦長行列のQR分解に対する高性能計算を目指す。
• マルチコアCPU環境における提案手法の有効性を検証。
• 分散並列システムに対して、データ分散の方法を含めて、提案手法の拡張を検討予定。
Block Gram-Schmidt（BCGS）アルゴリズムの概要◆ 実施項目ᵑ：最新のマルチコアᵡᵮᵳ環境におけるタイルᵯᵰアルゴリズムの性能評価• タイル型の行列分解アルゴリズムは、超並列環境に適した並列アルゴリズムであり、QR分解をはじめとする行列分解における有効性が知られている。
• 本課題では、まず、JHPCNで利用可能である様々な最新のマルチコアCPU環境において、タイル型QR分解アルゴリズムの性能を詳しく調査・分析する。
• タイルサイズ等のパラメータと性能の関係を詳しく分析し、タイル型QR分解アルゴ
リズムの有効性の検証と性能向上に向けた課題の調査を行う。
タイルQRアルゴリズムの概要◆ 実施項目ᵒ：ᵥᵮᵳ環境におけるᵠᶊᶍᶁᶉᴾᵪᶍᶕᴾᵰᵿᶌᶉ行列のᵯᵰ分解の性能評価• Block Low Rank（BLR）行列をはじめとする、行列の低ランク近似を活用した行
列近似とそれに対する行列分解の研究が活発に行われている。
• BLR行列：ブロック化された行列の一部ブロックが低ランク表現されたもの。
• 本課題では、まず、別プロジェクトで開発が進んでいる、Block Low Rank行列に対するQR分解のGPU向け実装に関して、性能評価・分析を行う。
• 既存ライブラリをベースとしている実装に対して、その性能のボトルネック箇所を
Block Low Rank行列の概要
明 ら か に し 、 ア ル ゴ リ ズ ム や 実 装 方 法 の 改 良 に つ い て 検 討 す る 。 赤：密行列（主に対角）、黄：低ランク行列（主に非対角の大部分）（密行列向け手法が適用可能だが、低ランク行列を考慮した改良の余地あり。）

ᵨᵦᵮᵡᵬ：学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点ᴾ第ᵏᵓ回ᴾシンポジウム （ᵐᵎᵐᵑ年ᵕ月ᵔ日ᵋᵕ日，東京ᵄオンライン）

― 36 ―

SENAC Vol. 56, No. （3 2023. 7）

15th Symposium

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点公募型共同研究 令和5年
年度採択課題jh 2 3 0 0 2 4

風間 聡 （東北大学工学研究科），柳原駿太（同），池本敦哉（同）
滝 沢 寛 之 （ 東 北 大 学 サ イ バ ー サ イエ ン ス セ ン タ ー ）日 本 全 国 の ため池 の 治 水 利 用 の 評 価[回]

一定浸水深以上の地点の土地利用を規制

気候変動の豪雨に対する流域全体での洪水対策「流域治水」が取り組まれている

日本古来から資産「ため池」の治水活用⇒ 将来への洪水適応策
有効性の評価と地域性の考察が必要

国土交通省https://www.mlit.go.jp/policy/shingikai/content/001360743.pdf

山形豪雨 (2020年)

研究目的：日本全国に20万基あるため池の洪水適応策の有効性の考察のための膨大な計算負荷の軽減化
洪水氾濫解析

100mm/day 200mm/day

現在気候時との豪雨日数の差

背景・目的

豪雨日数の将来変化(気象庁)（Yamamotoら，Climatic Change, 165:60） jh220018のの成果

将来の降水量：全球気候モデル

高解像度洪水氾濫解析

洪水対策の被害軽減比較

RCP2.6
Water depth(m)Water depth(m)

RCP8.5

日本各域で再現期間100年洪水を生じさせる日降水量の気候シ
ナリオRCPの違い (2050年時)1km解像度

250m解像度

100年確率降雨時の浸水深分布

ため池の要素モデル付加

県別被害軽減割合
左：治水施設レベルの向上
右：たんぼダム

多数の組み合わせ計算
全国600万セルの計算

10万を超えるため池
要素モデルの実行

初期貯水率：0, 25, 50, 75% 4通り+ため池なし
並列化の負荷をベイズ最適化を利用し，高速化

ため池に一律の初期貯水率(0・25・50・75%)を設定
ため池存在セルにため池モデルを付加
限界貯留高を超えると浸水が発生（Ikemoto, et al., Water Resources
Management, 2023）

県別+初期貯水率別 期待被害額軽減率
初期貯水率0%の場合，香川県(17%)，滋賀県(10%)，奈良県(9%)，
兵庫県(9%)， 岡山県(8%)の軽減率が高い．
学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第15回シ ン ポ ジ ウム
2023年 7月6日，7日

Hybrid CONFERENCE

SENAC Vol. 56, No. 3（2023. 7）

jh230032― 37 ―$E,QLWLR6WXG\RI$Q,QWUDPROHFXODU0DJQHWLF
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This work is supported by the “Joint Usage/Research Center for Interdisciplinary Large
scale Information Infrastructures (JHPCN)”. All calculations have been done using the
VXSHUFRPSXWHUV\VWHP648,'DWWKH&\EHUPHGLD &HQWHU2VDND8QLYHUVLW\DQG$2%$
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― 38 ―

SENAC Vol. 56, No. （3 2023. 7）

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15th JHPCN Symposium, 2023/7/6

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Side view

Case A20-10

Case A20-6

Case A20-6

Case A20-2








0.8

0

10

Pressure [MPa]
0.4

0.8

1.2

0.5
0.4

Case A20-10



 8

6

Case A20-2

200

7.E+04
6.E+04
5.E+04
4.E+04

170

0.E+00165

 [mm]

30

40




 
 
 

180

1.E+0420

185

2.E+04

10



190

0.1
0



195

0.2

Bottom view

Case A20-6

8.E+04

3.E+04+2019

40

0.3


Inlet




30

A20-2
A20-6
A20-10  

0.6

Case A20-2

1.6

20

0.7

0

20 mm

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o¶h9©2¬«´¼³E;x·!

175

0.6


Outlet 

A20-2
A20-10

0.8

 

A20-6

 
1

 * [-]A20-10 [mm]10.00

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
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166.771.50

177.793.09

A20-6

6.00

285.8899.070.68

173.611.85

178.632.28

A20-2

2.00

311.0298.200.42

177.492.08

184.252.59

Case
0.0

 

.=,9

specific impulse [s]0.8

0.4

Case A20-10

;

Time Averaged
Heat Release Rate [J/mms]

0.0

Pressure [MPa]Spatio-temporal Averaged
Pressure [MPa]

32>

1.2



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― 40 ―

SENAC Vol. 56, No. （3 2023. 7）

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