次世代スーパーコンピューティング・シンポジウム2007

スーパーコンピュータ利用の将来
ｰ 航空宇宙分野は過去の世界か？ -情報・計算工学(JEDI)センター
センター
宇宙航空研究開発機構 情報・計算工学(JEDI)
宇宙科学研究本部藤井 孝藏

平成19平成19年
年10月
10月3日

航空機開発に不可欠な風洞設備
航空機開発に不可欠な風洞設備
ライト兄弟が使った風洞

世界最大の風洞

航空機開発に要した風洞試験時間
実際の風洞試験例

航空機開発に要した風洞試験時間

数値流体力学 (CFD
CFD:: Computational Fluid Dynamics)

航空分野が拓いてきたスパコン利用の世界
二つのメッセージ¾ DeanD
Ch
Chapman教授 のメッセージ
Chapman教授のメッセ ジ(1977)のメッセージ(1977)
ジ(1977)
航空宇宙CFDを推進すべき理由は航空宇宙CFD
を推進すべき理由は「新たなる重要な技術能力の獲得」「新たなる重要な技術能力の獲得」と「経済性」「経済性」の２つであり「経済性」の２つであり，それは今後数十年変わらないだろう．の２つであり それは今後数十年変わらないだろうの２つであり，それは今後数十年変わらないだろう．
風洞試験には，スケール効果，風洞壁干渉，空力変形などの制約がある．CFDにも 計算機スピードにも，計算機スピド，メモリメモリー容量容量，ディスク容量などの制約があるが技術ディスク容量などの制約があるが技術動向はそれらの制約が急速に解決しつつあることを示している．

¾ Paul Rubbert 氏（氏（BoeingBoeing Fellow)
Fellow)のメッセージ(1988)のメッセージ(1988)
航空機の設計には，空気力学的効率，重量，製造 ストの三者を正しく航空機の設計には，空気力学的効率，重量，製造コストの三者を正しくバランスし経済性を最大にするコンカレントエンジニアリングを実現するに足る即応性が要求される．

計算機性能の進展
1P

Aggregate Systems
Performance
ASCI X
Earth Simulator

100T

FLO
OPS

10T
1T

100G
010G
1G

ASCI QASCI White
SX-6
VPP5000
SX-5
SR8000G1
VPP800ASCI BlueASCI Red
VPP700 ASCI Blue Mountain
SX-4 T3E
SR8000Paragon
SR2201/2K
VPP500
NWT/166
T3D
CM-5 SX
SX-3R
3R
T90
S-3800 SR2201
SX-3
C90
VP2600/1
CRAY-2
Y-MP8 0
SX-2
S-820/80
VP-400
VP
400
S-810/20
S
810/20X-MP
VP-200

10GHz
1GHz

100M

CPUF
Frequencies
i

10M
01M
1980

Single CPU
Performance

100MHz
10MHz

1985

1990

1995

2000

2005

2010

Year
Courtesy of Dr. Tadashi Watanabe, former NEC Corporation

シミュレーションに要する計算時間
1985年の世界最速コンピュータ
1985
年の世界最速コンピュータ
Supercomputerpp
1 GFLOPS, 256MB メモリー
計算時間は約２時間（1985
計算時間は約２時間（1985））
２０万点の格子を利用した３次元NS計算

一格子点・時間一ステップあたりの計算時間
1983 CRAY 1

86.0 μsec

1983 F社M380
社

272.0 μμsec

1985 F社VP400

6.7－9 μsec

F社VP200
1986 CRAY 2

11.0 μsec
20.0 μsec

2000 Note Pen III (700MHz)

25.0 μsec

2001 Pen 4( 1.5 GHz)
2007 Pen Xeon (3.2GHz)

9.9 μsec
4.1 μsec

ECJ: Aircraft design by Swift Engineering Inc.
Eclipse Aviation Partners with Swift Engineering to Develop Eclipse
p Jet Eclipse
p Aviation Partners with Swift Engineeringgg to Develop
pConcept
Eclipse Concept Jet

VLJ leader and aerodynamic design pioneer team up to build single
single--engine
concept aircraft in less than seven months
Presentation
Pt ti byb MarkM k PageP
att ASME/JSME FlFluidid EEngineeringii
Conference, at San Diego, July 2007 (http://www.swiftengineering.com)

再びDean
再び
Dean Chapmanの言葉
Chapmanの言葉
実現できなかったこと -このこの30
30年で何が変わらなかったのか？
年で何が変わらなかったのか？

航空宇宙CFD推進の理由は「新たなる重要な技術能力の獲得」と航空宇宙CFD推進の理由は「新たなる重要な技術能力の獲得と「経済性」の２つであり，それは今後数十年変わらないだろう．

¾

現象理解 －新たなる重要な技術能力の獲得
新たなる重要な技術能力の獲得¾ 空力特性評価－高い経済性を活用してという使い方を実践してきたを．しかし，実現してきたのは，どちらも風洞試
験の代替をイメージしたもの．よく考えると験の代替をイメージしたもの．
よく考えると3030年前と今とでシミュレーション年前と今とでシミュレーションに本質的な違いがあるように思えない．

航空宇宙におけるCFD
航空宇宙におけるCFDへのへの期待
期待 ー挑戦への復帰

スケール効果を評価できる手法（試験を越える）
低いレイノルズ数から高いレイノルズ数まで連続的に流れの領域を捉える道具として位置づけることで更なるシミュレーションの強みを発揮する．
¾

概念設計（シミュレーション本来の力を発揮）
課題解決や詳細な形状改善ではなく，革新的なイノベーションを創造する手段としてのシミュレーションが期待される．
¾

火星探査航空機（JAXA長期ビジョンより）

薄翼の失速特性 ー１
前縁付近に生ずる層流剥離泡が翼の空気力学特性を決める翼型の揚力特性

薄翼の失速特性 ー２
LESハイブリッド法によるシミュレーション結果
LES
ハイブリッド法によるシミュレーション結果

Compact
p scheme
流れの時間変動

時間平均された流れ場

流体は本質的に非定常高速気流において 見定常と考えられていた流れ場にも実は強い局所非定常
高速気流において一見定常と考えられていた流れ場にも実は強い局所非定常性があり，それを捉えないと平均的な流れ場も正しく捉えられない．ここに乱流モデルを利用したRANSシミュレーションの限界がある．

ロケット射点設計における課題

H IIA F1H-IIA

ロケットプルームから出る音響が衛星設計に大きな影響を与える

煙道から放出する音響波
02.0
Mach No.
0Mach number 1.5

スペクトル的な高解像度手法（新手法）の効果

PressuureNASA SP-8072より

Hz

6 1260ML
L

新手法によるジェット音響直接計算

Nonomura and Fujii, ASME/JSME FEDSM-2007-37539, San Diego, July-August 2 2007

実現へのシナリオ ー考慮すべき要素技術¾ 演算能力（ス
演算能力（スーパーコンピュータ）
パ コンピュ タ）
先端計算機は10年で1000倍程度の速度向上を維持してきた今の単体PCは1985年世界最高速のスーパーコンピュータより数倍速い
今の単体PCは1985年世界最高速のス
パ コンピュ タより数倍速い¾ LES
LESおよびおよびLES
LESハイブリッド法
ハイブリッド法
局時流動（小さな時間・空間スケールの）現象が平均場も決める（RANSシミュレーションの限界）
これを捉えることがスケール効果評価の鍵となる¾ スペクトル的な高次精度手法
最近の手法は，既存手法に比べて各方向数倍程度の空間解像度を実現
不連続現象への対応手法が課題だが，対処方法の提案はある

今後起こる大規模シミュレーション（新手法利用の場合）
Re=105以下

Re=106程度

Re=107以上

MAVなど
MAVなど

風洞試験レベル

民間輸送機など

格子点数

1000万点
1000万点
8 GB

100×1000
100×1000万点
万点
0 8 TB
0.8

1000万点
万点
104×1000
80 TB

計算時間

1ノード
ノード8cpu
8cpuでで1ノード
ノード8cpu
8cpuでで1ノード
ノード8cpu
8cpuでで120時間
120時間

12,000時間
12,000時間

1,200,000時間
1,200,000時間（137年程度）（1年5ヶ月程度）
1 PFLOPSPFLOPS**ならば計算時間

0.1--0.5時間
0.1
0.5時間

1-5時間

100-500
100500時間
時間（数日から3週間程度）* perfect scalability* ISAS所有のベクトル計算機に基づいた個人的な予測
ペタクラスの計算機が自由に使えたら，かなりのところに手が届くかも．．．
ペタクラスの計算機が自由に使えたら，かなりのところに手が届くかも．．．

航空宇宙におけるCFD
航空宇宙におけるCFDへのへの期待
期待 ー挑戦への復帰
スケール効果を評価できる手法（試験を越える）
低いレイノルズ数から高いレイノルズ数まで連続的に流れの領域を捉える道具として位置づけることで更なるシミュレーションの域を捉る道具
位置 ける
更なるシシ ン
強みを発揮する．
¾

概念設計（シミ レ ション本来の力を発揮）
概念設計（シミュレーション本来の力を発揮）
課題解決や詳細な形状改善などではなく，革新的なイノベーションを創造する手段としてのシミュレーションが期待される．
¾

火星探査航空機（JAXA長期ビジョンより）

概念設計と新しい航空機要素技術
1 2
翼の揚力： L = ρu SCL
2プラズマアクチュエータ

火星探査機

Need to increase CL

Flow control with DBD

設計探査における手法（例）y(t)t=1/4f
1/4f

h
t=0

α(t)

x

t=1/2ft=-1/4f

t=3/4fCL,ave maximum design
CT,ave maximum design

CL,aveCPR,aveavR,
PCeCT,aveCPR,ave minimum design

題材によってはロバスト性は目的関数となる

自己組織化マップ(SOM)など

羽ばたき運動におけるSOM解析例
Frequencyk
reduced_frequency

0 20
0.20

0 55
0.55

0 900.90

pitchamp.
α1pitch_amp

pitch pitch_offset
offsetα010 19 28 36 4508

phase
shift
plunge amp.
phase_difference
plunging_amphφ15 23 307090

11005
0.5

11
1.1

16
1.6

Phase shift should be around 90 degs.

liftrequiredpower
CPR,averequired_power

CL,avelift_coefficientthrustCT,avethrust_coefficientt 1/4ft=-1/4f

t 0
t=0

t 1/4ft=1/4fup stroke
t=1/4ft=1/2ft=3/4f=-1/4f-30 Cp

0.0

0.7

1.4

2.1

0.0

1.8

3.7

5.5

0.0

0.7

1.4

2.18

down stroke

2121

22
2.2

これらを背景に今後重要となるスパコン利用と関連技術スケール効果を評価できる手法として利用¾ 解析データ探査
空間データ中心の解析から時空間巨大データの解析へ
空間デタ中心の解析から時空間巨大デ タの解析へ
実験データ処理とシミュレーションデータ処理
可視化にとらわれない後処理の工夫
時間積分手法の再評価

イノベ ションを創造する手段として利用
イノベーションを創造する手段として利用¾ 設計探査多彩な多数のケースに基づく設計情報取得
ロバスト多目的
多目的最適化 データ探査 など
多目的最適化，データ探査，など* （参考）米国（参考）米国NSF
NSF計画
計画 Cyber CFD

さらに速いスーパーコンピュータが拓く世界¾ リアルタイムシミュレーション－ビジュアルコンピューティングの復活－Transaction的なデータ解析
Transaction的なデータ解析¾ ス
スーパーリアルタイムシミュレーション
パ リアルタイムシミュレ ション－実際よりも速く現象を予測する

リアルタイムシミュレーションへの道
かなり乱暴な議論だが現在の計算速度から可能性を予測する．
（例１）ロケット打ち上げ時のプルーム音響シミュレーション
1TFLOPS マシン
時間1ステップ 計算時間 2.4×10-1 sec 実時間の6.1×10-6 sec相当
40 PFLOPS マシン
sec相当
相当
実時間の6.1
6.1××10-6 sec
時間11ステップ 計算時間 6.0
時間
6.0××10-6 sec 実時間の（例2）物体周りの流れLES解析
1TFLOPS マシン
時間1ステップ 計算時間 2.3×10-1 sec 実時間の1.15×10-6 sec相当
230 PFLOPS マシン
sec相当
相当
実時間の1.15
1.15××10-6 sec
時間11ステップ 計算時間 1.0
時間
1.0××10-6 sec 実時間のスーパーリアルタイムシミュレーション
どのクラブにしようかしら？
風も強 し風も強いし．．．

落ちない飛行機
気象情報
地形情報
地図情報などなど

ゴルフクラブの選択？

「はじめ 応用ありき 応用がすべ「はじめに応用ありき．応用がすべてである．」
ある嶋正利
マイクロプロセッサ開発者
2003年サイエンティフィックシステム研究会での講演より