平成19年10月3日「次世代スーパーコンピューティング・シンポジウム2007」

計算科学への挑戦～次世代を担う若者へのメッセージ～

筑波大学長
岩崎 洋一

－1－

目次
計算科学
計算科学の発展
三本柱の一つとしての計算科学
スーパーコンピュータの歴史
次世代スーパーコンピュータ

アプリケーションの最前線
基礎科学
物質科学
生命科学
環境科学
－2－

目次（続）
次世代スパコンによるフロンティアの開拓
フロントランナー

計算科学によるブレークスルーのために
グランドチャレンジの設定
ソフトウェアの自己開発
異分野融合
分散拠点

結び

－3－

計算科学技術の発展－4－科学技術の三本柱としての計算科学技術

科学技術の全分野で、実験・観測、理論と並ぶ、重要且つ最先端の研究手段 スーパーコンピュータ
環境

バイオ

構造
流体

ナノ・材料

素粒子・宇宙シミュレーション

科学技術
Spring-8

理論

実験・観測

たんぱく質分析

相対性理論（アインシュタイン）スバル望遠鏡

中間子理論（湯川秀樹）

素粒子加速器

宇宙観測

くりこみ理論（朝永振一郎）
素粒子衝突実験－5－

計算科学技術を支える二つの要素

計算科学技術アプリケーション

計算機システムスパコンを用いた科学技術研究力スパコンの開発・製作を支える技術力－6－まずは、計算機システムについて
 スパコンの発展史
 次世代スパコン－7－

スーパーコンピュータの発展（I）
30年間（ 1976年～2005年）で100万倍の高速化

BlueGene/L
地球シミュレータES

CP-PACS
数値風洞NWT－8－

スーパーコンピュータの発展（II）
発展を支えた様々な技術：

半導体技術の進歩（ムーアの法則）

数々のアーキテクチャ上のイノベーション
1976年
 1980年代
 1990年頃
 1990年代以降


ベクトルプロセッサアーキテクチャの出現ベクトル計算機の隆盛
マイクロプロセッサの発展と並列計算機アーキテクチャ
並列計算機の隆盛
ベクトル並列(SMP)、超並列(MPP)、スカラ並列(SMP)－9－＜次世代汎用スーパーコンピュータシステム概念図＞＝多様な計算ニーズに対して最適な計算環境を提供する複合型システム
多様なユーザ，アプリケーション多様なユーザ，アプリケーション多様なユーザ，アプリケーション多様なユーザ，アプリケーション制御フロントエンド

ベクトル部に適したアプリケーションの実行

スカラ部に適したアプリケーションの実行

粒子系

連続系
Linpack性能：10PFLOPS

隣接計算主体超大規模計算逐次画像処理ﾃﾞｰﾀ処理系
世界最高の実効性能を有する
スカラ部

大容量ﾒﾓﾘ計算
全域的通信

複合シミュレーション
On-the-fly処理

世界最高の実効性能を有する
ベクトル部

複雑系シミュレーション，計算資源の有効利用，ソフトウェア資産の活用－10－次に、アプリケーションについて

 現在のアプリ最前線
 これからのグランドチャレンジ－11－

アプリケーション最前線：素粒子・宇宙
QCDによる素粒子の質量重力・物質・輻射の統合的アプローチ
紫外線輻射場中の第一世代星形成過程の3次元輻射流体力学シミュレーション（2006, 宇宙シミュレータFIRST）

星の進化

QCDによる核力（湯川理論の基礎付け）

50万年

100万年

150万年

宇宙最初の構造発生の大規模重力流体シミュ
レーション（2007, 宇宙シミュレータFIRST）
ビッグバン後2.2億年
2.9億年

梅村雅之氏提供

4億年

－12－

宇宙史
137億年

10億年
1億年
宇宙暗黒時代（宇宙のミッシングリンク）

38万年

Big Bang

ビッグバン
宇宙背景放射宇宙で最初の天体（第一世代天体）

宇宙再イオン化
銀河の誕生
巨大ブラックホール
星の誕生
太陽系・惑星－13－アプリケーション最前線：ナノ・バイオ
炭素ナノチューブと金属の界面タンパク質・RNAの分子認識と酵素反応

RNA

炭素ナノチューブとシリコンの界面タンパク質・RNAのドッキング・シミュレーション

舘野賢氏提供押山敦氏提供溶媒（水分子）がRNAを攻撃して，酵素反応が生じる－14－アプリケーション最前線：環境科学
全球雲解像モデルNICAMによる気象シミュレーション

東京大学 佐藤正樹氏提供

積乱雲：大気循環の駆動源

正２０面体分割格子
NICAMの格子配置の例

左：全球を約3.5kmメッシュで分割した数値シミュレーション。
右：静止衛星画像 （２００６年１２月２６日。初期値は２５日）－15－

計算科学技術の重要性：今後ますます増大

基礎科学のフロンティアを開拓するシミュレーション
原子・分子のミクロの法則（量子力学）に基づく物質と生命のシミュレーション
マクロな自然と人間社会の関わりのシミュレーション
ライフサイエンス
ものづくりの道具となるシミュレーション
計算創薬・テーラーメイド医療

ナノテクノロジー

素粒子・宇宙物理
素粒子・初期宇宙の解明
学

触媒c

物質設計
提供：国立天文台

銀河・惑星形成シミュレーション

原子力

遺伝子・タンパク質から細胞・人体まで解析
提供：(独)物質・材料研究機構

防災・気象
津波予測

原子炉設計

台風

地球・環境
エルニーニョ予測

ものづくり
提供：日本原子力研究所

提供： (独）海洋研究開発機構

提供：東北大学

潮流ロケット
エンジン設計航空・宇宙
提供： (独）海洋研究開発機構

航空機開発

気候変動
デジタルエンジニアリング
提供：(独)宇宙航空研究開発機構－16－•次世代スパコンによるフロンティアの開拓
 過去のノーベル物理学賞のうち約３分の１は、新しい実験装置・観測装置の開発によるもの
 次世代スパコンは新しい実験装置･観測装置に対応

 次世代スパコンでフロンティアを開拓
 その分野でのフロントランナー
 新学域を創出－17－高い目標（グランドチャレンジ）を目指すことの重要性 （平成１７年９月２６日講演より）


国によるスパコン開発の目的は、科学技術のブレークスルーの実現



これを実現するには、高い目標を掲げ、妥協のないプロジェクト実施が必要
明確な科学技術上の目標の設定
 原点に立ち戻った、問題のモデル化と計算アルゴリズムの（再）定式化
 これに適した計算機開発
 必要ならばゼロベースからの応用プログラム開発
計算科学技術の革新は、このような妥協のない努力の過程で育まれると考える－18－

グランドチャレンジの例
 ナノ ライフ－19－

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェア（平成１８～２２年）
次世代情報機能・材料

次世代エネルギー
太陽エネルギー固定
アルコール燃料
燃料電池
電気エネルギー保存

医療・創薬・DDS

次世代ナノ生体物質
ウイルス
抗がん剤
タンパク質制御
DDSナノプロセス

NafionWater

非線形光学素子
ナノ量子デバイス
スピンエレクトロニクス
超高密度記録デバイス
複合電子デバイス

46 nm

15nm

複合系
電子伝導

Ｎａｆｉｏｎ膜のメソスケール構造

準巨視系

複合系

27 nm

5nm

Ｎａｆｉｏｎ膜

ミセル

ポリオウイルス

固体

自己組織化磁性ナノドット

分子集合体
ドメイン

オービトン(軌道波)RMSD 4.8 Å(all Cα)タンパク質の折れ畳み構造

リゾチームの空洞内の水分子

シリコンの一次元結晶

“off”

“on”

強磁性ハーフメタル
lightlight
光スイッチ

電子・分子light

電子
量子化学

自己集合カプセル化

分子動力学

フラーレンやカーボンナノチューブのドーピング

固体電子論拠点：分子科学研究所

次世代情報機能・材料、ナノ生体物質、エネルギーの分野において、量子化学、統計力学、固体電子論などの理論や基礎となるシミュレーション手法を統合したシミュレーションにより、次世代ナノ材料（新半導体材料等）の創出を目指す。
－20－次世代ナノ情報機能・材料（例：ナノ電子デバイス）
ポストシリコンデバイス実現のための複合的ナノ電子デバイスシミュレーション（個々の素子の機能探索からデバイスとしての機能デザインへ）
電極と量子細線の接合

量子細線

接合の安定性
接合抵抗

弾性・非弾性散乱
電流誘起構造変化

量子細線と基板の相互作用

量子ドット

複合系としてのデバイス機能のシミュレーションには、部品間の接合の解析が重要な課題。

量子ドットの構造安定性
電子間相互作用

電極・量子ドットと基板の界面

AuV

Si
Vg

現状

複合的ナノ電子デバイスシミュレーション

２千原子程度の複合系（量子細線と電極）の計算が可能
１０万原子の系を扱うには８００年：
実現不可能（実効性能で１テラフロップス）

実空間差分等による第一原理計算
超並列計算
オーダーＮ法次世代スパコン
量子細線や分子、電極、ゲート、基板などの全体（１０万原子系）の計算が２ヶ月程度で可能（実効性能で１ペタフロップス）

期待される具体的 デバイスの超微細化の実現とそれによる高速応答と高機能、接合抵抗の低下と弾道的伝導の利用による省エネルギー、軽元素利用による環境負荷の低減により、イノベーションをアウトカム起こす。

－21－次世代ナノ生体物質（例：ウイルス）
感染機構や免疫機構解明のための全原子シミュレーション（巨大生体分子の動作機構解明、ライフサイエンスとの融合領域）
小児麻痺ウイルス
リンゴ病ウイルス

1,000万原子系の分子動力学計算

現状

1マイクロ秒に５００年：
解析不可能（実効性能で０．５テラフロップス）

小児麻痺ウイルスのカプシド
タンパク質でできたウイルスの殻

１０００万原子系の分子動力学計算
セル多極子展開法による長距離相互作用の評価
安定構造、カプシドタンパク質間の接合構造と熱運動、熱安定性、構造のｐＨ依存性、化学物質との相互作用、環境依存性、脂質膜、タンパク質との相互作用などをシミュレーション

次世代スパコン・完全領域分割化
多階層分割
多極子展開法自由エネルギーレベルでの長時間ダイナミクスの解析を実現
１マイクロ秒に３ヶ月（実効性能で１ペタフロップス）・自由エネルギーレベルでの相互作用、自己組織化、また動的な振るまいをシミュレートできる方法論の開発と、10ペタフロップス級の高性能計算機を用いた大規模シミュレーションにより、水中のウイルス構造やその動作を解析、ウイルスの感染機構や免疫機構を解明期待される具体的アウトカム
未克服のウイルスに対する予防法と治療法の開発に寄与が可能となり、国民の健康維持分野でイノベーションを起こす。

－22－

次世代生命体統合シミュレーションソフトウェア（平成１８～２４年）
治療技術へ
薬剤開発
テーラーメード
医療タンパク・DNA

臓器全身スケール細胞

組織10-5~-4

10-3~-2器官

10-1

分子ネットワーク
解析

ミクロからのアプローチ

全身循環器

100

Ｍaｃｒｏ

Meso

Micro
タンパク構造解析
薬剤反応性解析

HIFU

細胞
スケール

分子
スケール

10-8~-6
大きさ

DDS
再生医療

外科手術
カテーテル
マイクロマシンハイパーサーミア

流体・熱・構造
化学反応の連成血管系モデリング
骨格モデル

マクロからのアプローチ

MD・第一原理・量子化学シミュレーション＜マルチスケール人体シミュレーション＞

連続体シミュレーション

拠点：理化学研究所 和光研究所

ペタスケールのシミュレーション技術によって、ライフサイエンスの諸課題解決にブレークスルーをもたらす新たな手段を提供し、生命現象の統合的な理解と医薬品・－23－
医療機器、診断・治療方法の開発に繋げる。

グランドチャレンジをいかに作り上げるか ナノ・バイオとも素粒子・宇宙・気候変動などと比較し、グランドチャレンジの設定が難しい 若い研究者の新鮮な発想法が必要
 分野融合が必要 例：バイオバイオ研究者
 物理研究者
 化学研究者
 計算機工学者
－24－

ライフサイエンスと計算科学「数学は生物学の次の顕微鏡であり、生物学は数学の次の物理学である」 ジョエル・コーエン(2004)
稲葉寿 「数学イノベーション」

計算科学はライフサイエンスの次の実験・観測装置であり、ライフサイエンスは計算科学の次の物理学である
 理論、実験ではなく数値実験による新概念形成



例：ソリトン

再起現象 フェルミ・パスタ・ウラム

ライフサイエンスには、まだまだ隠された新概念がある（はず） 宝庫？

遺伝子発現と環境応答、脳、心、生物とは？ ・・・・・・
 新概念形成こそイノベーション そのためには・・・・－25－

ライフサイエンスと計算科学（続き）
 明確な科学上の目標設定
 明確な（計算可能な）モデルの構築
例：QCDはQEDとはまったく異なる構築 K. ウィルソン

 分野融合が必要
 バイオ研究者
 物理研究者
 化学研究者
 計算機工学者
 数学者

－26－

グランドチャレンジをいかに解くか

明確な科学上の目標の設定
原点に立ち戻った、問題のモデル化と計算アルゴリズムの（再）定式化



必要ならばゼロベースからの応用プログラム開発







シミュレーションは自然を模写すべき 川合敏雄



自然は隣接相互作用である

超並列計算機には隣接結合が適している

計算機アーキテクチャによって、アルゴリズム、プログラミングは異なるべき

我々の例

ハードウエアの開発・製作 ＱＣＤＰＡＸ， ＣＰ－ＰＡＣＳ，ＰＡＣＳ－ＣＳ

システムソフトウエアの開発

アルゴリズム、アプリソフトウエアの開発

そのために、分野融合必要： 物理学研究者と計算機工学研究者－27－

アプリ側が研究しやすい体制が重要
 ハードウエアの詳細設計（周辺計算環境を含む）

アプリ側からの要求が重要
 組織体制透明性のある効率的な運用体制
 人材育成機能大学との有機的なネットワーク組織
 スパコンの重層的な配備と情報ネットワーク

－28－

開発体制
理研 次世代スーパーコンピュータ開発実施本部
アドバイザリー
ボード

本部長
副本部長

野依倉持

良治
隆雄

理事長
理事
他本部員

開発戦略委員会
アプリケーション検討部会

特任顧問 柴田勉

プロジェクトリーダー：渡辺河辺峻

高田俊和

三浦謙一

開発グループ開発グループ

産学のアプリケーション開発者及びユーザーの立場からの検討

プロジェクトリーダーを補佐

計算機システムを開発

グループディレクター

貞

客員研究員

姫野龍太郎

総括チーム

○九州大学
○筑波大学
○東京大学
○JAXA
○JAEA

チームリーダー（兼）姫野龍太郎
総合的なシステム開発を行うための全体のとりまとめ、調整

協力協定

システム開発チーム
チームリーダー

横川三津夫

システムのハードウェア及びシステムソフトウェアの開発○筑波大学○海洋研究開発機構○国立情報学研究所

アプリケーション開発チーム
チームリーダースーパーコン
ピューティング
技術産業応用協議会

花村光泰

アプリケーション環境の構築、アプリケーション開発の支援

企画調整グループプロジェクトの推進に係わる企画調整

企画調整グループ
グループディレクター

中津健之

企画調整チーム
チームリーダー

近藤和雄

概念設計
詳細設計

・日立製作所・日本電気
・富士通

平成１９年7月17日現在－29－

計算科学の発展のためのスパコンの配備（I）
 “一点豪華”状況の回避

最高速システム 重層的な配備の重要性

最高速システムと同時に、複数の中規模システムを配備
世界最高速のシステムは、集中利用して初めて実質世界最高速
 最高速システムによるcapabilitycomputingと同時に、中規模システムによるcapacity computingを底支え 単一分野集中でなく、計算科学技術の多様な分野を底支え

中規模システム

小規模システム

計算科学技術全体の持続的且つ厚みのある
発展に必須
－30－

計算科学の発展のためのスパコンの配備（II）
 重点分野とその時代的変遷
 重点分野は科学技術の進展と共に変遷する
 現在の発展途上分野から明日の重点分野が成長できるようなシステム配備が重要
フラッグ
重層的配備を必要とするもう一つの理由
シップシステム 高速ネットワークを含めた計算環境整備が重要 国内ネットワーク 国際連携とグリッド

SuperSINET/SINETノード配置－31－持続的なスパコン開発
 スパコン開発のロードマップが必要
 ＥＳと次世代スパコンの間隔は開き過ぎ 次世代スパコンの開発と平行して次々世代スパコンの開発準備作業が必要

－32－

むすび
 若い人たちへのメッセージ グランドチャレンジを自ら作り上げてください 異分野融合が大事です モデル、アルゴリズム、ソフトウエアを自ら開拓してください そして、グランドチャレンジを解決してください シニアの方々へのメッセージアプリ側が研究しやすい体制を構築してください－33－