九州大学先端的計算科学研究プロジェクト 平成 26 年度成果報告書 2015 年 4 月

小型天体表面・太陽風プラズマ相互作用過程の高並列粒子シミュレーション
三宅洋平 1、西野真木 2、臼井英之 1
1. 神戸大学大学院システム情報学研究科、2. 名古屋大学太陽地球環境研究所
概要 九州大学 Fujitsu CX400 を用いた大規模高並列プラズマ粒子シミュレーションにより、人工衛星や月などの「小型天体」表面と太陽風プラズマ間の相互作用を解明する。
具体的には、月面に相当する固体表面境界をプラズマ空間内部に設定できる衛星プラズ
マ環境シミュレーターEMSES を用いて、近年かぐや衛星観測で発見された月縦孔と、太陽風プラズマ・光電子間の相互作用を解析する。これに加えて、独自の動的負荷分散手法 OhHelp を適用した EMSES コードに関して、高効率なマルチスレッディング実装法を探求し、MPI/OpenMP ハイブリッド方式による高効率化を目指す。これらの取り組みを通してプラズマ粒子シミュレーション計算のさらなる高度化に向けた技術的知見を得ることを目標とする。

1. 研究の目的と意義

EMSES にはこれを解決するための動的負荷分散

本研究の目的は、九州大学 Fujitsu CX400 を用技法 OhHelp が実装されており、これまでに「京」いた大規模高並列プラズマ粒子シミュレーション

コンピューター、九州大学、京都大学、名古屋大学

により、人工衛星や月などの「小型天体」表面と太の大規模並列計算機システム上で高効率の並列計陽風プラズマ間の相互作用を解明することである。 算を行ってきた実績がある。当該シミュレーショ
人工衛星や月面などの非プラズマ物体周辺のプランコードのさらなる性能向上のために、共有メモ

ズマは境界領域プラズマと呼ばれ、シースや光電リ並列化や SIMD-aware な計算アルゴリズムの開子層、電位バリア形成といった著しい空間非一様発などアーキテクチャ階層を意識した最適化が必性を有するため、その全容はいまだに理解されて要である。本レポートでは共有メモリレベルにおいない。本研究では、近年「かぐや」衛星観測で発ける高効率マルチスレッド実装法確立に向けた最見され、将来の着陸探査対象や月面基地建設候補近の取り組みを紹介する。

地として注目が集まっている月面上の縦孔に着目する。複雑な形状を有する月固体表面と太陽風プ

2. 計算手法の概要

ラズマとの電気力学的相互作用を自己無動着に解衛星プラズマ環境シミュレーターEMSES は 3

き進め、縦孔周辺静電環境の 3 次元的描像を明ら次元電磁粒子シミュレーション法を基本とし、こかにする。本研究によって得られた月面周辺でのれに固体表面の内部境界の扱いを導入したものとプラズマ静電環境と、「かぐや」衛星観測による月なっている[1]。計算空間は格子によって離散化さ上空のグローバルなプラズマ電磁環境のつながりれており、電磁場と電流／電荷密度場はオイラーを考慮することで、月プラズマ環境を包括的に理量として格子点上に定義される。一方、プラズマ解することが可能になると期待される。

分布関数は連続的な位置座標を取りうる代表粒子

これに加えて、数値シミュレーション手法としによって記述される。そしてこれらの粒子と場のてのプラズマ粒子（Particle-In-Cell）計算の高度化

量は Particle-In-Cell と呼ばれる手法により互いにも取り組む。次節に紹介するように、本課題で用に結び付けられる。基礎方程式としては、電磁場いる衛星プラズマ環境シミュレーターEMSES は発展を記述する Maxwell 式と荷電粒子ダイナミ領域分割に基づく Flat-MPI 並列化が施されておクスを記述する運動方程式が用いられ、これらをり、分散メモリ型並列計算機による大規模計算が相互に解き進めることによりプラズマと電磁場間可能である。また単純な領域分割法では粒子の空の相互作用を自己無動着に再現する。

間的な粗密による負荷不均衡が常に問題となるが、
1

EMSES の分散メモリ並列は、均等領域分割に九州大学先端的計算科学研究プロジェクト 平成 26 年度成果報告書 2015 年 4 月

日照面は正に帯電
電界：50 V/m

(V)

月面縦孔

電界：20 V/m

電位差（> 40 V）
図 1: かぐや衛星によって発見された月縦孔表面の電位分布に関する大規模シミュレーション．
基づいており、各 MPI プロセスは分割された各部

プラズマや月表層光電子層のデバイ長と同程度分領域とそこに含まれる粒子に関する処理を担当あるいは十分に大きいため、その周辺では特異する。しかしこの単純な領域分割法のみでは粒子なプラズマ静電環境が形成されていると予想さの空間的な粗密による負荷不均衡が問題となる。

れる。このような縦孔構造や地下空洞を直接探そこで OhHelp では、一つのプロセスを除く全て査する UZUME 計画が立案されている中、将来のプロセスが本来の担当（1 次担当領域）とは別ののローバー探査への影響を知る上でも縦孔周辺部分領域を一つだけ担当し（2 次担当領域）、そのプラズマ環境を事前評価することは重要である。

領域に含まれる粒子の一部分について電磁場との本研究では、縦孔構造を模した月面を含む 3相互作用計算を行うことで、この問題を解決して次元計算空間内に上空から太陽風プラズマがいる[2]。これに加えて、OhHelp 特有の粒子移送様々な角度で入射する状況を想定する。また月パターンを考慮して低コストな MPI 通信方式を面からは太陽光照射の有無や、その入射角度を考案し、さらなる最適化を行った[3]。前年度の同考慮した光電子放出を模擬する。この月面近傍プロジェクトでは、CX400 を用いた 2048 プロセの光電子層の特徴的空間スケールを解像しつつ、スまでの並列実行で良好なスケーラビリティが得

上空 1 km までの広がりを持つ背景宇宙プラズられることを確認済みである。

マダイナミクスを 3 次元計算で追うためには、
九州大学 CX400 システムで提供されるような3. シミュレーション成果大規模な計算資源を要する。具体的には 416×

「かぐや」衛星による地形カメラ観測により、416×2048 格子点、2.5×1010 超粒子数の計算を月のマリウス丘、静の海、賢者の海に、特徴的実施するため CX400 の 128 ノード分を利用しな縦孔構造が発見されている。縦孔のサイズはて計算を行った。
図 1 は、EMSES コードによって得られた月直径、深さともに、50～100 ｍに及び、太陽風
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図 2: 領域分割に基づくマルチスレッド実装コードの並列性能評価

縦孔周辺の表面電位分布のシミュレーション結に対するアクセスパターンは未知数である粒子位果例である。計算結果より、太陽光照射（光電置に依存するため、マルチスレッド実装時のアク子放出）や太陽風イオン流照射の有無が原因とセス競合に注意を要する。

なり、日向と日陰では表面電位は大きく異なる

アクセス競合を回避する方法としては、粒子群ことが確認された。またこの電位差に伴って日をそれらが所属する領域に応じてグループ分けし、向－日陰境界では、数 10 V/m の電界が発生し各スレッドが互いに異なる領域に属する粒子の電た。その強度は通常のクレーターで想定される流計算を担当すればよい。これは領域分割の発想電界強度より 1 桁大きく、月面着陸調査のために基づいており、前年度に検討した粒子分割実装の探査機設計において考慮すべき点である。

に対して、スレッド個数分の private 電流配列がこれに加えて今回のシミュレーションで新た不要になるというメリットがある。ただし、領域に得られた知見として、同じ日向という条件下分割法においても、小領域の境界付近ではアクセでも、縦孔の外部と内部では表面電位が異なるス競合が発生しうるため、それを回避するためのことが判明した。縦孔周辺のプラズマダイナミ緩衝領域が必要となる。なお、緩衝領域を要しなクスを詳細に解析することにより、この電位差い別の実装として、色付けを用いる方法があり、は縦孔底部と外部に到達する太陽風プラズマ電

これについても現在検討を進めているがその性能子フラックスの違いと、縦孔の側壁から放出さ評価は今後の課題とする。また領域分割法では粒れる光電子の底部への流れ込みによって説明さ子ソーティングが必須であるが、これについてはれることを見出した。この結果は、月縦孔内部分布数え上げソートを利用した。のプラズマ静電環境の特異性を示すものとして実装法による性能の際は高スレッド並列時に顕著になると予想されるため、別途 Intel Xeon Phi注目すべき結果である[4]。

を搭載したシステムで評価を実施した。領域分割

4.

を行わない 1 プロセス実行とし、スレッド並列数計算コードの高度化および性能評価
OhHelp 適用済プラズマ粒子コードのハイブリを 1～240 の間で変化させてシミュレーター性能ッド並列実装に向けた検討として、計算負荷の大を測定した。シミュレーション領域は 643 格子点部分を占める電流計算に着目し、スレッド並列化

からなる立方体の 3 次元空間とし、その中に電子を高効率に実現する方法を探求した。電流計算で224、イオン 224 の合計 225（およそ 3400 万）の粒は、各粒子がつくる電流値を、それらの位置座標子をランダムに配置した。
図 2 に今回実施した Strong scaling 方式によるに隣接する格子点に加算していく。電流密度配列3

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性能評価の結果を示す。前年度に行った粒子分割

宙プラズマの相互作用に関しても同様の研究を継方式では数 10 スレッド数で顕著な性能の飽和が続しており、将来の衛星計画にフィードバック可みられたが、今回実装した領域分割方式ではその能な定量的知見が得られつつある[5]。こうした結ような傾向はみられない。電流計算と速度位置更果は、科学衛星による宇宙環境計測の信頼性を担新の部分のみに着目すると、8 スレッドと 240 ス保する上で重要な知見であり、宇宙空間の電磁環レッドにおける並列効率はそれぞれ 60%と 59%で境の解明にも大いに役立つと期待される。

あり、その間ではほとんど劣化していないことか

また計算科学的観点からは、OhHelp 技法によら、良好なスケーラビリティが得られていること

り既に分散メモリ並列に対応した EMSES シミュがわかる。一方、領域分割実装のために必要となレーターについて、さらなる計算コードの高度化るソーティングを含めて考えると 240 スレッドでを目指して高効率マルチスレッド実装の検討を行の並列効率は 31%と劣化する。現状ではソート部った。プラズマ粒子シミュレーション特有の演算分は並列化されておらず、また毎ステップ実施しフローとデータアクセスパターンを考慮した複数ているため、高スレッド実行でそのコストの影響の実装を試すことにより、CX400 に搭載されるマが顕著になっている。

ルチコアプロセッサのみならず Xeon Phi に代表

本年度の検討により、プラズマ粒子計算カーネされるメニーコアプロセッサにおいてもスケールル部分のスレッド並列化について、良好なスケー可能な並列化手法を見出した。H27 年度の同プロラビリティを実現する道筋が見えた。懸案のソージェクトでは、これらの実装を Xeon Phi を搭載ティングのコストに関しては、並列ソートに関すする HA8000 システム上で性能評価する予定である先行研究を調査していく予定である。

る。

5.

6.

今後の展望

文献

(1) 参考文献

先端的計算科学研究プロジェクトによる九州大学 CX400 計算機資源を活用して、科学衛星の月探[1] Miyake and Usui, Phys, Plasmas, 16, 062904,

査により発見された縦孔と太陽風プラズマの電磁2009.

的相互作用に関する大規模粒子シミュレーション[2] Nakashima et al., Proc. 23rd ICS, 90-99, 2009.

解析を実施した。その結果、太陽光や太陽風プラ[3] Miyake and Nakashima, Proc. 11th IEEE

ズマの照射の条件が異なる日向と日陰、もしくはISPA, 2013.

縦孔外部と内部の間で月面帯電量が大きく異なることが確認された。この電位差に起因するローカ(2) 当該プロジェクトによる研究成果

ル電界は月表面付近に存在する帯電微粒子（ダス[4] Miyake, Y. and M. N. Nishino, Electrostaticト）のダイナミクスにも大きな影響を及ぼすこと

environment near lunar vertical hole: 3Dが予想される。月面付近のダストは探査機の故障

plasma particle simulations, submitted.

や人間の健康被害を引き起こすなど、将来に計画[5] Marchand, R., Y. Miyake, H. Usui, et al.,

される無人もしくは有人の月面探査に大きな問題

Cross-comparison of Spacecraft-environmentに浮上する可能性が指摘されている。本シミュレ

Interaction Model Predictions Applied to Solarーション解析に続いて、縦孔電磁環境下でのダス

Probe Plus near Perihelion, Phys, Plasmas, 21,

ト挙動解析を行うことにより、そういった悪影響

062901, 2014.

が定量的に予測できれば大きな実用的価値がある。
報告書では月と太陽風プラズマに関する研究事例を紹介したが、太陽探査衛星などの人工衛星と宇4