2020/09/07 第7回東北大学知のフォーラム
実験家のためのデータ駆動科学オンラインセミナー
計算材料科学＆マテリアルズ・インフォマティクス入門

MateriApps LIVE!による物質科学シミュレーション

藤堂眞治
東京大学 大学院理学系研究科 / 物性研究所

略歴 - 藤堂眞治
• 1968 四国 松山に生まれる• 1996 東京大学大学院理学系研究科博士課程終了 博士(理学)• 1996 東京大学物性研究所(六本木/柏)• 2000 スイス連邦工科大学チューリッヒ校• 2002 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻• 2011 東京大学物性研究所(神戸)• 2014 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻• 興味: 計算物理、統計物理、固体物理、データ科学、応用数学、他• 趣味: 学生の書いたプログラムのデバッグ、オープンソースソフトウェアのインストール

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物質科学のためのオープンソース・ソフトウェア(1/2)• 電子状態計算 (固体物理分野)• Performs electronic structure calculation for a wide range of materials
including crystals, interfaces, liquids, etc. For example, OpenMX is able todeal with non-collinear magnetism and non-equilibrium Green's function
calculations for electron transport• 電子状態計算 (量子化学分野)• Performs quantum-mechanical simulations of large molecular systems
eﬃciently, and calculates various information regarding the structure andfunction of biopolymers, such as the interaction between a protein and aligand

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物質科学のためのオープンソース・ソフトウェア(2/2)• 分子動力学計算• Equipped with most of standard MD techniques including free energycalculations based on thermodynamic integration method, and enables
investigations of large-scale real systems such as viruses, liposomes,
assemblies of proteins and micelles, and polymers• 強相関系・有効模型• Performs simulations of strongly correlated systems such as magnetic
materials or correlated electrons. Heat capacities, susceptibilities,
magnetization processes in interacting spin systems, the density of states ofstrongly correlated electrons, etc, can be calculated

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第一原理計算による物質科学シミュレーション• どのアプリをどのように使えばよいのか？
• 一口に「第一原理計算」といってもアプリにより用いる近似や解法が異なる• 内核電子の取り扱い:• 全電子計算 vs 擬ポテンシャル法• 波動関数を表現する基底:• 平面波基底、原子局在基底、実空間基底、、、• 交換相関エネルギー汎関数: LDA、LSDA、GGA、LDA+U、GW、、、• 物理量の計算: X線分光解析、フォノン分散、輸送特性係数、、、• ライセンス(有償、無償)、ドキュメント、講習会• 専門家にコンタクトできるかどうか？

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本山, 三澤, 加藤, 藤堂, 固体物理 52, 743 (2017)
井戸, 加藤, 三澤, 藤堂, 分子シミュレーション学会誌 “アンサンブル” 22, 74 (2020) [分子動力学法・可視化]

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MateriApps 活動の目的• 開発者側からの問題点• 有益なプログラムはもっと使われるべきだが、多くのソフトは研究室内にとどまって終わる• 公開・情報発信には手間がかかる• アプリ開発を成果として主張しにくい(指標がない)• 利用者側からの問題点• どんなプログラムがあるのかよくわからない• インストール・使い方について知りたい• 開発者の活動(特に講習会情報)をもっと知りたい• MateriApps の目的• アプリの見える化を通じて開発者と利用者をつなぐコミュニティーを育てる

7MateriApps, 2013-2020. All rights reserved.

MateriApps — 物質科学シミュレーションのポータルサイト• 公開ソフトウェア(アプリケーション)を核としたコミュニティー形成をめざして• 273の物質科学アプリケーションやツールを紹介(2020年8月現在)• 「やりたいこと」からアプリケーショ
ンを検索• 検索タグ：「特徴」「対象」「手法・アルゴリズム」• 開発者の声を利用者に届ける• 開発者情報、アプリの魅力・将来性• 講習会情報・web講習会・更新情報• キーワード解説、アプリコンシェル
ジュ、レビュー記事• 月間 26000+ ページビュー、9000+ ユ
2013年5月公開
8MateriApps, 2013-2020. All rights reserved.

ニークユーザMateriApps 掲載アプリケーション• 273の物質科学アプリケーションやツールを紹介

密度汎関数法

量子化学

分子動力学

格子模型

AkaiKKR☆

FMO☆

MODYLAS☆

ALPS☆

OpenMX☆

SMASH☆

Gromacs☆

DSQSS☆

xTAPP☆

GAMESS☆

ERmod☆

BLOCK

ABINIT☆

DC☆

MDACP

DMRG++

...

(79)

...

(37)

...

(31)

(53)

連続体シミュレーション

データ解析

可視化

Octa ...

phonopy☆ (58)

TAPIOCA☆ (37)

CLUPAN☆

ANSYS Multiphysics(12)

データベース(11)、統合環境(4)、機械学習(17)、量子計算(6)9...

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☆ MateriApps LIVE! 収録 ( 一部予定 ) アプリ

事例紹介・キーワード解説

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アプリケーション普及にむけた三本柱• アプリの情報発信• ポータルサイト MateriApps web• 個人・研究室レベルでのアプリ利用の支援• MateriApps LIVE!
• スパコン上でのアプリ利用支援• 国内主要スパコンへのアプリのプレインストール MateriApps Installer
Flagship system (K, post-K,...)
HPC infrastructure supercomputers in Japan
Supercomputers for shared-use in research fields
Cloud computing, on-premises PC clusters
Personal workstations, PCs

Hands-on Installer Cloud• インストールや入力ファイルの準備における「壁」を解消• 計算科学の専門家だけではなく、実験家や企業内の利用、教育活動における活用へ
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MateriApps LIVE! とは？
• 仮想化ソフトウェア VirtualBox 上で直接ブートできる Debian Linux• Windows、Mac などで利用可• インストール作業なしで物質科学アプリを実行できる• バージョン3.1公開 (2020年8月)• MateriAppsで紹介している公開アプリ・ツールを収録• abinit, AkaiKKR, ALAMODE, ALPS, CONQUEST,Feram, DCore, DSQSS, HΦ, LAMMPS, mVMC,OpenMX, Quantum ESPRESSO, SMASH, xTAPP 等• OVITO, ParaView, Tapioca, VESTA, VMD, XCrysDen…
• CASINO, GAMESS, VMDは自動インストーラーあり• MateriApps LIVE! サイトからダウンロード可能• 2013年7月以来、約8700コピーを配布
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MateriApps LIVE!による第一原理シミュレーション('* -"MatNavi

 MatNavi

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VESTAXCrysDenOcta on MateriApps LIVE!
• 現在鋭意作業中• MateriApps LIVE! バージョン3.2 (2020年10月1日リリース)に収録予定
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MateriApps LIVE! が役に立つシチュエーション• MateriApps LIVE! を用いた講習会• MateriApps LIVE! ハンズオン (Quantum ESPRESSO, LAMMPS, 他)• HΦ、xTAPP、ALPS、DCore、mVMC、ALAMODE、DDMRG、DSQSS、SALMON、CASINO, 他• 講義での利用例 (東大、東工大、他)• 計算物理学、計算科学概論• 計算機実験 (UNIX + C 実習環境、LaTeX、バージョン管理システム)• 実験研究者・企業研究者による利用• 計算機科学の研究者による利用• 最近ではトラブルはほぼゼロ。15分程度でセットアップ完了• 容易に環境を揃えることができるので、動作確認・トラブルシューティング・ユー
ザサポートに便利

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CCMS Webハンズオン MateriApps LIVE!講習会• 2020/4/23, 2020/5/14 Quantum ESPRESSOによる第一原理電子状態計算• 2020/6/18, 2020/8/6

LAMMPSによる分子動力学計算• 毎回100名の受講生を集めてオンラインで開催 (毎回2,3日で定員に)• 配信: Webex or Zoom
• 質疑応答: 講師・TAがSlackで対応• 実習環境: MateriApps LIVE!
専門をお選びください

職種をお選びください
32.4%

23.5%

17.6%

47.1%
22.1%

44.1%

この講習会へ申込をした一番の理由はなんですか？
22.1%
10.3%
39.7%

26.5%

• 参考: 井戸「オンラインのソフトウェア講習会をやってみた」日本物理学会誌 (投稿中)
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もっと大規模な計算をしたい？
• Debian や Ubuntu がインストールされた Linux ワークステーション• MateriApps LIVE! の Debian Package が利用可能• https://github.com/cmsi/MateriAppsLive/wiki/UsingMateriAppsInDebian• (Google Colabにもインストール可)• PCクラスタ、クラウド、物性研や情報基盤センターのスパコン、富岳など• MateriApps Installer https://ma.issp.u-tokyo.ac.jp/app/268• 2020年度 東大物性研ソフトウェア開発・高度化プロジェクトとして、リニューアル中Flagship system (K, post-K,...)
HPC infrastructure supercomputers in Japan
Supercomputers for shared-use in research fields
Cloud computing, on-premises PC clusters
Personal workstations, PCs

Hands-on Installer Cloud

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