ポスト｢京｣重点課題
全体概要
平成２８年１月２９日
研究振興局参事官（情報担当）付
計算科学技術推進室

計算機シミュレーションの意義
実験結果の予測＜シミュレーションとは＞・ 自然現象や社会現象について、理論から得られる数式を数値モデル化し、コンピュータ上で数値計算を行い、模擬的に実験を行うこと。
・ 理論、実験と並ぶ第３の科学的手法である。

理論

実験理論の検証

数値モデル化

理論の検証

新たな実験の提案
シミュレーション
実行条件の設定

シミュレーション©RIKENfor (j=0; j<n; j++)for (i=0; i<n; i++) {y[j] += A[j][i] * x[i]・・・＜シミュレーションにより実現できる「限界の突破」＞①実験・観測上の限界を突破する物理的に実験・観測困難なもの
実際の実験にリスクが伴うもの
実験・観測にコストがかかりすぎるもの②コストと精度・信頼性の限界を突破する実験回数・開発期間・開発コストを削減
より精密な結果を得る例）
・顕微鏡で見ることのできない分子・原子レベルの材料解析・超新星爆発の様子の再現
・地震・津波の被害予測例）
・自動車の衝突シミュレーション
・心臓手術をコンピュータ上で再現し、術後の状態を予測

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平成２８年度予算案 ：6,700百万円（平成２７年度予算額 ：3,972百万円）

ポスト｢京｣の開発（フラッグシップ2020プロジェクト）
我が国が直面する課題に対応するため、 2020年をターゲットに、世界最高水準の汎用性のあるスーパーコンピュータの実現を目指す。
背 景
 世界最高水準のスーパーコンピュータは、理論、実験と並ぶ科学技術の第3の手法であるシミュレーションのための強力なツールとして、我が国の競争力の源泉となる先端的な研究成果を生み出す研究開発基盤。
 科学技術の振興、産業競争力の強化、国民生活の安全・安心の確保等に不可欠な基幹技術であり、国の競争力等を左右するため、各国が熾烈な開発競争。

理化学研究所計算科学研究機構（兵庫県神戸市）概 要
開発スケジュール 汎用性の高いシステムとアプリケーションを協調的に開発。
 健康長寿、防災・減災、エネルギー、ものづくり分野等から選定された社会的・科学的課題について、アプリケーションを開発。
（重点的な応用分野の明確化として、九つの重点課題と、新たに取り組むべきチャレンジングな課題である四つの萌芽的課題を設定）
 総事業費 約1,300億円（うち国費分 約1,100億円）

期待されるアウトカム例
ナノスケールでの特性を予測し、最適な材料の探索・創製により次世代のデバイスを設計

気 象 ・気 候

医療ビックデータ解析等により、個人ごとのがんの予防と治療戦略を実現

新物質創成

個別化医療

ものづくり

実機・実スケールの超高精度解析を実施し、航空機の燃費改善や安全性の向上に貢献

観測ビックデータを活用した高速シミュレーションで、リアルタイム・ピンポイントな豪雨予測を実施

SiC界面のシミュレーション例

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ポスト「京」で期待される成果

出口を見据え戦略的にアウトカムを導出
例：ものづくり

例：地震・津波対策→ “製品の企画段階から、デジタル化・⾃動化”
企業の開発コスト・期間を削減。
世界に先駆けて、⾼性能な製品を開発。
→ 多数の企業と協働して社会実装。

→ “地震が起きたとき、街がどうなるのか”
建物の損壊や⼈の流れも考慮した、現実的な防災計画が実現。
→ 自治体と協働して社会実装。

分野横断的・国際的に、将来につながる技術の波及を実最先端スパコンの利⽤で培う技術
現最先端スパコンの開発で培う技術
ビッグデータ同化

アンサンブル
シミュレーション

観測・実験ビッグデータを効率よく分析・活⽤

多数ケース・シナリオの予測・解析

特性予測
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

リアルタイムｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

⾼密度実装技術
システム冷却技術

省電⼒技術
⾼速ネットワーク技術

統合
不確実性を考慮したリアルワールド
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

災害対策
科学研究の深化システム運⽤管理技術

ものづくりのデジタル化

社会・経済分析への適用

サービス産業での利活用（データセンターへの適用等）

etc..
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検討の経緯今後のHPCI計画推進のあり⽅に関する検討ワーキンググループ（平成24年４⽉〜平成26年3⽉）
 今後10年程度を見据えた合計25回の検討の後，我が国の計算科学技術インフラの在り方と研究開発の方向性及び利用の在り方・人材育成等についてとりまとめられた（平成25年６月中間取りまとめ，平成26年３月最終取りまとめ）。
 我が国の計算科学技術インフラの開発・整備に係るグランドデザインが検討され，我が国を代表し，世界トップレベルの高い計算性能と幅広い分野における適用性を有する一つのフラッグシップシステムと，フラッグシップシステムを支える複数の特徴あるシステムを，国が戦略的に整備していくことが重要。
【将来のHPCIシステムのあり方の調査研究（～平成26年３月）】
国家存立の基礎である世界最高水準のハイパフォーマンス・コンピューティング技術を発展させ、我が国の国際競争力の強化、社会の安全・安心の確保等をはかるため、ハードウェアの技術動向調査、システム設計研究のほか、我が国の社会的・科学的課題の抽出、システムを評価するアプリの抽出等を行い、将来のHPCシステムの開発に必要となる技術的知見を獲得する。

システム検討サブワーキンググループ（平成25年７⽉〜８⽉）
次期フラッグシップシステムの基本設計を実施するに当たっての検討・評価を実施。

ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題についての検討委員会（平成26年４⽉〜８⽉）

HPCI計画推進委員会
次期フラッグシップシステムに係るシステム検討ＷＧ（平成26年６⽉〜）

 重点的に取り組む社会的・科学的課題や早期の成果創出に向けた研究開発体制等を検討。

 要求されるシステム性能やシステム構成の詳細を検討。
 基本的なシステム構成及び性能について評価。

→創薬、防災・環境、エネルギー、ものづくり、宇宙など９つの重点課題を選定。
→社会経済現象、⼈⼯知能など新たに取り組むチャレンジングな４つの萌芽的課題を選定。

→社会的・科学的課題の解決に貢献できるシステムを実現する、との基本⽅針は妥当。
→基本設計が終了した段階で、HPCI計画推進委員会等において、改めてその検討結果について評価。

＜参考＞事前評価 （科学技術・学術審議会 研究計画・評価分科会決定・平成25年8⽉）「プロジェクトの推進に当たっては、（中略）段階ごとにHPCI 計画推進委員会の評価を受ける必要がある。」

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題
今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討WGについて
有識者会議において、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題（重点課題）と、ポスト「京」で新たに取り組むチャレンジングな課題（萌芽的課題）を選定。
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題についての検討委員会（平成26年4⽉〜8⽉）○趣旨
スーパーコンピュータ「京」の次を担うポスト「京」については、⼤規模な研究開発プロジェクトであり、そこから⾼いインパクトのある成果を創出することが期待される。スーパーコンピュータで解決できる問題は、基礎科学から産業利⽤まで幅広いものであるが、ポスト「京」においては、国家基幹技術として国家的に解決を⽬指す社会的・科学的課題に優先的に取り組むべきである。
こうした状況を踏まえ、ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的課題や課題解決による早期の成果創出に向けた研究開発体制等を検討するため、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題についての検討委員会を設置。

○メンバー（平成26年8⽉現在）
安⻄ 祐⼀郎 （⽇本学術振興会理事⻑）内⼭⽥ ⽵志 （スーパーコンピューティング技術産業応⽤協議会運営委員⻑／トヨタ⾃動⾞代表取締役会⻑）⼤隅 典⼦ （東北⼤学⼤学院医学系研究科教授）◎ ⼩宮⼭ 宏 （三菱総合研究所理事⻑）城⼭ 英明 （東京⼤学公共政策⼤学院院⻑）住 明正（国⽴環境研究所理事⻑）

関⼝ 和⼀ （⽇本経済新聞社論説委員兼産業部編集委員）
瀧澤 美奈⼦（科学ジャーナリスト）
⼟屋 裕弘 （⽥辺三菱製薬代表取締役会⻑）○⼟居 範久 （慶應義塾⼤学名誉教授）
⼟井 美和⼦（独⽴⾏政法⼈情報通信研究機構監事）
林 春男（京都⼤学防災研究所巨⼤災害研究センター教授）
平尾 公彦 （理化学研究所計算科学研究機構⻑）（◎：主査、○：主査代理）（合計13名）（50⾳順）

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ポスト「京」開発の目的・狙い とスケジュール＜⽬的・狙い＞国家的に解決を⽬指す、ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題を予め選定し、• これら課題の解決に資するアプリケーションの開発や課題に関する研究開発の推進に必要な体制を構築するとともに，• これらのアプリケーションとポスト「京」のシステムアーキテクチャ、システムソフトウェア等を協調的に設計開発（コデザイン）し，更には，これらのアプリケーションを利活⽤して⾏う重点課題に関する研究開発に対し，ポスト「京」の計算資源を重点的に配分する，ことを通じて、戦略的にポスト「京」を活⽤し、世界を先導する成果の早期創出を図るとともに、ポスト「京」システム全体として成果を最⼤化し、国際競争⼒のあるシステムを実現することを狙いとする。

＜スケジュール＞
2014年度

2015年度

2016年度

2017年度

2018年度

2019年度

2020年度～（平成26年度）（平成27年度）（平成28年度）（平成29年度）（平成30年度）（平成31年度）（平成32年度～）

システム

基本設計
▲基本設計
評価

アプリ
ケーション

⽴上げ
準備

製造（量産）

試作・詳細設計
▲コスト・
性能評価

調査研究・
準備研究

設置・調整

運⽤

▲中間評価

本格実施

成果創出

▲代表機関公募・選定
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我が国の計算科学技術インフラ
HPCI （革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ）「京」と国内11機関のスパコンを、高速ネットワークでつなぎ、ユーザー窓口を一元化して、利便性の高い利用環境を構築。

「京」は、｢特定先端大型研究施設の共用の促進に関する法律｣に基づき、研究基盤施設として、幅広い利用者等の利用に供している。
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ポスト「京」システムの開発方針
・課題解決型- 重点課題及びターゲットアプリケーションに基づく基本設計（ターゲットアプリケーションの実⾏性能に基づいた開発⽬標を設定）- アプリケーション及びシステムを協調設計(コデザイン)・国際競争⼒- 演算性能及び電⼒性能で国際競争⼒のある汎⽤システムを実現（汎⽤性を⾼めることで理論ピーク演算性能は従来の検討システムより下がるものの、2020年における世界トップレベルの性能を実現）

・国際協⼒- 我が国が強みを持つコア技術は確保した上で、国際協⼒を戦略的に活⽤（システムソフトウェアの開発については、平成26年６⽉、⽶国と協⼒取極を締結)

・「京」の資産継承- 「京」の後継機として、「京」で確⽴された技術・⼈材・アプリケーション等を最⼤限活⽤

・性能拡張性- 2020年以降も半導体技術の進展等に応じて効果的・効率的に性能拡張できるシステム

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ポスト「京」でのコデザイン（１） 幅広いアプリケーションを⾼速かつ効率的に実⾏可能なシステムアーキテクチャ、システムソフトウェア等を開発するとともに、これらの性能を最⼤限に引き出すアプリケーションの開発を⽬的として、ハードウェア開発者とアプリケーション開発者が連携・協⼒して⼀体的にコデザインを推進 具体的には、重点課題から提案されたターゲットアプリケーションをベースに、性能評価ツール・シミュレータを使い、システムの基本構成・パラメータの決定を⾏い、明らかとなったいく
つかの性能制限要因への対応により、アプリケーションの予測性能向上の⾒込み重点課題実施機関
重点課題に関するアプリケーション開発

ターゲットアプリ
ケーション

協調

ポスト「京」開発主体： 理研・計算科学研究機構（ＡＩＣＳ）
コデザインの推進アプリケーション基盤開発
プログラミング環境開発

システムソフトウェア開発
アーキテクチャ開発
協調

開発ベンダー・連携機関
システムの設計・実装・設置・開発製造
協調設計に関する提案・評価・フィードバック
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ポスト「京」でのコデザイン（２）＜ターゲットアプリケーション＞
重点課題

主な計算⼿法コデザイン観点（重要なアーキテクチャパラメータ）
局所および集団通信レイテンシ、
演算性能

アプリケーション名
GENESIS①

分⼦動⼒学法②

⼤容量データ解析

⼊出⼒

Genomon③

⾮構造・構造格⼦ステンシル複合の有限要素法

通信・メモリバンド幅

GAMERA

構造格⼦ステンシル有限体積法＋局所アンサンブル変 通信・メモリバンド幅、換カルマンフィルター法
⼊出⼒、SIMD幅
⾼精度分⼦軌道法
演算性能/SIMD幅/集団通信レイテンシ（疎＋密⾏列計算）

NICAM+LETKF⑥

⾮構造格⼦・有限要素法

通信・メモリバンド幅、SIMD幅

Adventure⑦

密度汎関数法（密⾏列計算）演算性能/集団通信レイテンシ

RSDFT

⑧

⾮構造格⼦・有限要素法

通信・メモリバンド幅、SIMD幅FFB⑨

構造格⼦経路積分モンテカルロ法

通信・メモリバンド幅、局所および集団通信レイテンシ

CCS-QCD④⑤NTChem＜ターゲットアプリケーションの特徴＞
1)
各重点課題の要となる計算⼿法を有するアプリケーションであること（補⾜）各重点課題のアプリケーションはサブ課題に対応して複数から構成されると想定されるが、戦略的かつ効率的にコデザインを進めるため、重点課題ごとに要となるアプリケーションを⼀つずつ選定する。

2)

アプリケーションの開発体制やライセンス形態が、コデザインできるものであること（補⾜）早期の成果最⼤化のため、コデザインに責任を持つポスト「京」開発主体とアプリケーション開発元が⼀体となって、システムとアプリケーションのコデザインに取り組み、コデザインにより得られたノウハウを展開できるようにする。

3)

全ターゲットアプリケーション群は、計算科学的⼿法の網羅性を有しており、 コデザインおよびチューニングのノウハウのドキュメント化ができること（補⾜）幅広い分野でのアプリケーションをカバーし、コデザインにより得られたノウハウを効率的に展開する。

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ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題（重点課題）
今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討WGについて＜重点課題（９課題）＞①社会的・国家的⾒地から⾼い意義がある、②世界を先導する成果の創出が期待できる、③ポスト「京」の戦略的活⽤が期待できる課題を「重点課題」として選定。
カテゴ
リ
健康⻑
寿社会の実現重点課題

実施機関① ⽣体分⼦システムの機能制御による⾰新的創薬基盤の構築

代表機関：理化学研究所（課題責任者：奥野 恭史・客員主管研究員）

超⾼速分⼦シミュレーションを実現し、副作⽤因⼦を含む多数の⽣体分⼦について、機能阻害ばかりでなく、機能制御までをも達成することにより、有効性が⾼く、さらに安全な創薬を実現する。

分担機関：京都大学、東京大学、横浜市立大学、名古屋大学、産業技術総合研究所

防災・環境問題② 個別化・予防医療を⽀援する統合計算⽣命科学

代表機関：東京大学（課題責任者：宮野 悟・教授）

健康・医療ビッグデータの⼤規模解析とそれらを⽤いて得られる最適なモデルによる⽣体シミュレーション（⼼臓、脳神経など）により、個々⼈に適した医療、健康寿命を延ばす予防をめざした医療を⽀援する。

分担機関：京都大学、大阪大学、株式会社UT-Heart研究所、自治医③ 地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築

代表機関：東京大学（課題責任者：堀 宗朗・教授）

内閣府・⾃治体等の防災システムに実装しうる、⼤規模計算を使った地震・津波による災害・被害シミュレーションの解析⼿法を開発し、過去の被害経験からでは予測困難な複合災害のための統合的予測⼿法を構築する。

分担機関：海洋研究開発機構、九州大学、神戸大学、京都大学④ 観測ビッグデータを活⽤した気象と地球環境の予測の⾼度化

代表機関：海洋研究開発機構（課題責任者：高橋 桂子・センター長）

観測ビッグデータを組み⼊れたモデル計算で、局地的豪⾬や⻯巻、台⾵等を⾼精度に予測し、また、⼈間活動による環境変化の影響を予測し監視するシステムの基盤を構築する。環境政策や防災、健康対策へ貢献する。

分担機関：理化学研究所、東京大学、東京工業大学

科大学、岡山大学

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＜重点課題（９課題）＞（つづき）
今後のHPCI計画推進のあり方に関する検討WGについて
カテゴリ

重点課題

実施機関

エネル
ギー問
題

⑤ エネルギーの⾼効率な創出、変換・貯蔵、利⽤の新規基盤技術の開発

代表機関：自然科学研究機構（課題責任者：岡崎 進・教授）⑥ ⾰新的クリーンエネルギーシステムの実⽤化

代表機関：東京大学（課題責任者：吉村 忍・教授）

エネルギーシステムの中核をなす複雑な物理現象を第⼀原理解析により、詳細に予測・解明し、超⾼効率・低環境負荷な⾰新的クリーンエネルギーシステムの実⽤化を⼤幅に加速する。

分担機関：豊橋技術科学大学、京都大学、九州大学、名古屋大学、立教学院立

分担機関：神戸大学、理化学研究所、東京大学、物質・材料研究機構、名古屋
複雑な現実複合系の分⼦レベルでの全系シミュレーションを⾏い、⾼効率大学、岡山大学、北海道大学、早稲田大学
なエネルギーの創出、変換・貯蔵、利⽤の全過程を実験と連携して解明し、エネルギー問題解決のための新規基盤技術を開発する。

教大学、日本原子力研究開発機構、宇宙航空研究開発機構、 物質・材料研究機構、自然科学研究機構核融合科学研究所、みずほ情報総研株式会社、株式会社風力エネルギー研究所

産業競
争⼒の強化

⑦ 次世代の産業を⽀える新機能デバイス・⾼性能材料の創成

代表機関：東京大学（課題責任者：常行 真司・教授）

国際競争⼒の⾼いエレクトロニクス技術や構造材料、機能化学品等の開発を、⼤規模超並列計算と計測・実験からのデータやビッグデータ解析との連携によって加速し、次世代の産業を⽀えるデバイス・材料を創成する。

工業大学、東北大学、産業技術総合研究所、東京理科大学⑧ 近未来型ものづくりを先導する⾰新的設計・製造プロ
セスの開発

代表機関：東京大学（課題責任者：加藤 千幸・教授）

製品コンセプトを初期段階で定量評価し最適化する⾰新的設計⼿法、コストを最⼩化する⾰新的製造プロセス、およびそれらの核となる超⾼速統合シミュレーションを研究開発し、付加価値の⾼いものづくりを実現する。

基礎科
学の発展

分担機関：筑波大学、大阪大学、自然科学研究機構分子科学研究所、名古屋

分担機関：神戸大学、東北大学、山梨大学、九州大学、宇宙航空研究開発機構、理化学研究所、東京理科大学⑨ 宇宙の基本法則と進化の解明

代表機関：筑波大学（課題責任者：青木 慎也・客員教授）

素粒⼦から宇宙までの異なるスケールにまたがる現象の超精密計算を実現し、⼤型実験・観測のデータと組み合わせて、多くの謎が残されている素粒⼦・原⼦核・宇宙物理学全体にわたる物質創成史を解明する。

分担機関：高エネルギー加速器研究機構、京都大学、東京大学、理化学研究所、大阪大学、自然科学研究機構国立天文台、千葉大学、東邦大学、広島大学

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