シミュレーション科学とデータ科学の融合

高性能計算基盤の開発とそのデータ科学・計算科学融合型キラーアプリ
小林広明
東北大学

大学院情報科学研究科教授
総長特別補佐（デジタル革新担当）
タフ・サイバーフィジカルＡＩ研究センター

ＨＰＣ・計算モジュール研究部門長

サイバーサイエンスセンター長特別補佐(HPC担当）

koba@tohoku.ac.jp
2020年7月3日

1

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

本日の内容
高性能計算に関する東北大学の取り組み
高性能計算に関する全国共同利用・共同研究拠点活動
スーパーコンピュータの運用と利用支援・共同研究
次世代高性能計算基盤の研究開発
量子アニーリングアシスト型次世代高性能計算基盤の開発1
データ科学・計算機科学融合型次世代アプリケーションの開発1,2,3

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

1
2

文科省次世代領域開発「呂市アニーリングアシスト型次世代高性能基盤の開発」
科研費基盤Ａ「量子アニーリングが拓く高性能マテリアルインフォマティクス基盤の新展開」

3

SIP CFRP向けマテリアルインテグレーション(MI)システムの高速実装と評価
2

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University全国共同利用型スパコンセンターとしての東北大学の歩み
1969年に日本で2番目の全国共同利用型大型計算機センターとして設立•

全国の学術研究者に汎用大型計算機を提供

1985年よりスーパーコンピュータセンターとして活動•

大規模科学計算システムとしてベクトル型のスーパーコンピュータを運用

2007年より文科省補助金事業としてコンピュータ資源を産業利用に提供開始•

民間企業のスパコン利用支援に着手
2010年より「学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点」として文科省より認定を受け，2012年よりHPCIに資源提供を開始し，HPCに関する共同利用・共同研究拠点活動を強化

First Computer in 1969

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しての東北大の役割

SX-1 in 1985

SX-2 in 1989

SX-3 in 1994

SX-4 in 1998

SX-7 in 2003

SX-9 in 2008

SENAC-1 in 1958
シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

ACOS 1000 in 1982

3/

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スパコンセンターと2008年に情報シナジーセンターからサイバーサイエンスセンターへ改組•整備/

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

リアルタイム津波浸水・被害予測システムの研究開発
全体で20分以内！
7分程度

10分以内

4分程度

リアルタイム津波被害予測
シミュレーション

浸水・被害状況の可視化

GPSデータによる震源推定

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様々な世界初10メートル四方の精度での沿岸都市の津波浸水被害予測
世界最高クラスのスパコンを活用して、6時間分の津波浸水の様子とその被害予測を10分以内で実現
GPS計測から，シミュレーション，可視化までを全自動で行い，地震発生からトータル20分以内に結果をWebを使ってわかりやすく各自治体へ提供
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高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

ベクトルスパコンはコンパクトに高い性能を発揮～津波浸水予測プログラムのスケーラビリティ評価～(高知市の例,2時間分のシミュレーション）

K-computer**

SX-ACE500

実行時間 [秒]400474

360

300

200

283192

19611610006412296938025610244096

16384

CPU数

*Onishi et al.Near-ﬁeld tsunami inundation forecast using the parallel TUNAMI-N2 model: Application to the 2011

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高性能計算基盤とそのキラーアプリ

Tohoku-Oki earthquake combined with source inversions, Geophysical Research Letter 42(2), p1083-1091, 2015.

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

津波浸水被害予測結果の可視化提供される情報 

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浸水開始時間
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Webインタフェース

（津波到達時間） 

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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最大浸水深分布8

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

東北大発産学連携ベンチャー企業 RTi-castの立ち上げ
設立日：2018.3.1
所在地：仙台市
主な事業内容• リアルタイム津波浸水・被害推定システムの構築・整備・運用• 同システム等を用いた予測情報、計算結果の提供• 災害およびその発生に関する研究・開発・教育・普及・啓蒙・コンサルティング
出資団体• 国際航業株式会社• 株式会社エイツー• 東北大学ベンチャーパートナーズ• 日本電気株式会社•他

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高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

サイバーサイエンスセンターの新システム導入計画
2020年10月に新システムをサービス開始！
総合演算性能1.8Pflop/s
愛称募集中!(詳しくはwww.cc.tohoku.ac.jpへ）

ベクトル型スーパーコンピュータSX-Aurora TSUBASANEC SX-Aurora TSUBASA B401-8 x 72
AMD EPYC 7402P x 1Vector Engine Cores x 8
NEC Vector Engine Type 20B xNEC
8
HBM2 Memory Module x 6
HPCI 



NEC LX 406Rz-2 x 68
AMD EPYC 7702P x 2

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X86並列コンピュータ(AMD EPYC 7720)

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

高メモリ性能が導き出す
SX-Aurora TSUBASAの高いポテンシャル
姫野ベンチマークによる評価.-12 #&()+ 
Tflop/s

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

AI・機械学習・ビッグデータ解析でも力を発揮！

Xeon

VEGPU

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高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

Mooreの法則の終焉!?
新しい情報処理への期待
近年,性能向上にスパコンの性能陰りが・・・

x1で年
10000

www.top500.org

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

科学技術未来戦略ワークショップ報告書資料より

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

量子アニーリングへの期待:
超高速組み合わせ最適問題専用器
量子アニーリングとは、量子効果（重ね合わせの原理など）を利用したメタヒューリスティックな最適化手法

西森 秀稔教授（東工大・東北大）らが原理を考案し，D-Wave社が実用化に成功

量子ゆらぎ効果を用いた
Source: D-Wave Systems

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

最適解の並列探索

大関真之准教授提供

14

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

量子アニーリングアニーリングアシスト型次世代高性能計算基盤の研究開発～次世代HPCI基盤とデータ科学・計算科学融合型次世代アプリの創出基盤～

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Source: D-Wave Systems
シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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Oct. 9-10, 2019令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

データ科学・シミュレーション科学融合アプリのワークフロー   
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シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

開発アプリケーション紹介1:
数値タービンによる実タービンのデジタルツイン化

発電用ガスタービン

航空機用ガスタービン

蒸気タービン

ガスタービンや蒸気タービンを通る現実の流れは、大気環境や蒸気の凝縮などにより、湿りや衝撃波を伴う非定常流れ。高性能で高信頼なタービンを開発するためにはこれらの考慮が不可欠
実機タービンを模擬するためには、衝撃波を伴う湿り空気流れや湿り蒸気流れをまるごと非定常で解析できるアプリが必要
これが実現できるのは世界で数値タービンのみ

タービン内部に発生する
非定常衝撃波シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

タービンまるごと非定常計算

17タービン内部に発生する
非定常湿り蒸気流れ

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

デジタルツインによる実タービン内部推定
ＡＩ（データ科学的アプローチ）

シミュレーション（計算科学的アプローチ）

デジタルツインパラメトリックな大規模計算により時系列データを収集（１ケース１日以内の計算時間で１００ケースを想定）

シミュレーション
フィジカル
データデータベース(SDB)

サイバー
データ

圧力
温度

実機の状態を流量
フィジカル
データ

自動的に判断実機類似ケースの抽出

実機から計測された時系列データ

現実空間

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機械学習により18

令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

アプリケーション開発2:
リアルタイム津波被害推定・最適避難経路即時提示アプリケーションの開発"#!!

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シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ)#)'$%) ' 19 令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

震源断層指定の不確実性評価と最悪シナリオによる浸水予測 

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

リアルタイム最適避難経路推定～想定外を生き抜く避難計画と生存戦略～(1)想定外の津波に対しても安全な避難場所（生存空間）を提示して生存可能性を高める（リアルタイム津波浸水予測との連携）．
(2)地震・津波の被害状況に応じた避難経路の選択肢が無数に存在する中で，強化学習による有効な経路候補を抽出(3)人的被害を最小化するという条件（効用最大化）で量子アニーリングによる最適な避難経路や生存条件※を携帯端末の位置情報と連携させてリアルタイムに提示※経路の長短，混雑の有無，津波到達時間，避難場所選択，避難開始時間等

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シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ＋

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21

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令和2年7月3日

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University

アプリケーション開発3:
ネットワークポリマーインフォマティクスアプリケーションの開発

熱硬化性樹脂の架橋ネットワーク形成に関する反応モデルの高度化・高速化
各種物性データ（機械特性・熱特性）の予測のためのマルチスケールシミュレーションの高速化

クラスタリング手法を組み合わせた階層的なスクリーニング
高分子材料の物理的性質に基づく高精度な学習モデルの構築
最適設計手法（逆問題）による高分子材料候補の提案

シミュレーションとデータ科学の融合:
高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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令和2年7月3日

謝辞
リアルタイム津波被害推定システム研究会
東北大学

Hiroaki Kobayashi, Tohoku University
東北大学サイバーサイエンスセンター
高性能計算技術開発（NEC）共同研究部門• 滝沢寛之 教授• 撫佐昭裕 客員教授（NEC)• 横川三津夫 客員教授（神戸大学）•• 江川隆輔客員教授（東京電機大学）• 百瀬真太郎 客員准教授（NEC)•• 小松 一彦 特任准教授• 佐藤雅之 准教授• 技術系職員• 村嶋陽一（東北大学客員教授）• 大泉 健治（専門員）• 鈴木崇之• 小野 敏NEC• 山下 毅• 撫佐昭裕（東北大学客員教授）• 齋藤 敦子• 松岡浩司（東北大学サイバーサイエンスセンター協力• 森谷 友映研究員）• 佐々木 大輔
• 渡部 修 （東北大学サイバーサイエンスセンター協• サイバーサイエンスセンター協力研究員
力研究員）• 愛野 茂幸 （NEC）
NECソリューションイノベータ• 星 宗王 （NEC）• 佐藤 佳彦• 萩原 孝 （NEC）
大阪大学• 松岡 浩司 （NEC）• サイバーメディアセンター• 渡部 修 （NEC）• 下条真司センター長・教授• 磯部 洋子 （NEC）• 伊達進准教授
エイツー• 政岡 靖久 （NEC）• 曽我 隆 （NEC）• 加地正明• 藤本 壮也 （NEC）• 山口 健太 （NEC）
量子アニーリングに関して
MIシステムに関して
数値タービンに関して• 岡部朋永 教授• 山本 悟 教授• 大関 真之 准教授• 菊川 豪 准教授• 古澤 卓 准教授• 觀山 正道 准教授• 宮澤 弘法 助教• 災害国際研究所

越村俊一教授同阿部 孝志産学官連携研究員
理学研究科
日野亮太教授、同
太田雄策准教授
サイバーサイエンスセンター
大泉健治専門員
国際航業

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高性能計算基盤とそのキラーアプリ

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