次世代スーパーコンピューテイング・シンポジウム2007
分科会E(ナノ統合シミュレーション）
報告文部科学省、次世代スパコンプロジェクト「次世代ナノ統合シミュレーションソフトウエアの研究開発−ナノ分野のグランドチャレンジ研究開発−」

分子科学研究所
平田文男

ナノ分野グランドチャレンジの構造化 ～応用分野～
ナノテクノロジー・材料分野

次世代ナノ統合シミュレーションの重点対象領域

材料領域 【エネルギー問題の克服】

バイオマス利活用領域

ナノテクノロジー・材料分野
推進基盤領域

燃料電池

光触媒（太陽電池）

水素吸蔵

スーパー
キャパシタ

分子エレクトロニクス
ナノコンポジット素子

フレクシブルディスプレイ

ナノバイオテクノロジー・
生体材料領域
金属触媒

半導体レーザー

電界電子放出ディスプレイ

高感度有害物質センサー

材料領域 【産業競争力の維持強化】

ナノワイヤー

量子コン
ピュータ

エタノール燃料（バイオマス利用）

高機能イオンバッテリー

ナノエレクトロニクス領域
単電子
デバイス

環境分野

フォトニック結晶
光通信
材料

ナノメタル・ナノ合金

ナノセラ
ミックス

ナノガラス

機能調和人工格子

有機半導体

ナノサイエンス・物質科学領域
超高密度記憶- メモリ- ディスク光スイッチ

新規炭素系材料(ﾌﾗｰﾚﾝ、ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ等)

次世代LSI

バイオセンサータンパク質阻害剤
イメージング

無副作用
抗がん剤

ＤＤＳ

生体分子
分析チップ

再生医療

創薬

ナノバーコードタンパク質機能バイオ・マテリアル

細胞膜
ウイルス

ナノ複合材料
DNAコンピュータ

1ナノ分野グランドチャレンジ領域の俯瞰と関連
水（溶媒効果）
次世代
エネルギー

分子集合体

物質変換

ナノコンポジット
素子
半導体レーザー

光通信材料
有機半導体

成果が利用される事を想定

ウイルス
ドラッグ
デリバリ

ミセル
バイオセンサー生体分子分析チップ

ライフサイエンス分野

次世代ナノ統合シミュレーション
ソフトウェアの研究開発

ナノセラミックス細胞
テーラーメイド医療
新規炭素系材料

ドラッグデリバリー

次世代材料

フォトニック結晶

量子コンピュータ
DNAコンピュータ

がん細胞膜

電子
量子力学計算
原子
MO
分子
DFT

ナノチューブ
電子伝導
遷移金属
次世代ULSI化合物
磁気特性
スピントロニクス
固体

次世代
情報機能・材料

次世代ナノ
生体物質

分子認識

タンパク 分子認識
機構
質・複合体

固液界面

水素吸蔵

電界電子放出ディスプレイ

再生医療

分子動力学
自己組織化
RISM
生体膜
触媒反応機構 タンパク質 FMO

高機能イオンバッテリー

フレクシブルディスプレイ

新機能創生

アルコール
（バイオマス） 酵素反応機構
燃料電池

風力発電

ナノバーコード

ナノメタル・ナノ合金
機能調和人工格子
ナノガラス

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グランドチャレンジ課題
次世代コンピュータでしか解決できない大規模計算

次世代コンピュータ（性能）だけでは解決できない問題（マルチスケール・マルチフィジックス）
これらの問題を解決する計算科学的方法論
およびプログラムを開発

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発拠点
研究顧問委員会 （委員長：中村宏）

拠点長

副拠点長

中村宏（分子研）、茅（理研）、上田（物性研）、井上（金研）
下村（物構研）、江崎（化研）、小林（産総研）
北川（物・材機構）、諸熊（）、中村道（日立）

平田（分子研）

常次（物性研）、岡崎（分子研）

システム運用リーダー： 水谷（分子研）

運営委員会 （委員長：平田）平田（分子研）＊、岡崎（分子研）＊、高山（物性研）＊、米満（分子研）＊、水谷（分子研）＊
高棹（旭化成）＊、永瀬（分子研）、中原（化研）、北浦（産総研）、岡本（名大）統括管理（事務局）
リーダー： 岡崎（分子研）前川（金研）＊、常行（東大）、寺倉（産総研）、那須（物構研）、青柳（九大）
斉藤（分子研）＊、姫野（理研）、三浦（情報研）、高田（文科省） ＊；運営小委員会を兼任

運営小委員会（委員長：平田）森田（東北大）、松田（分子研）、村越（分子研）

次世代ナノ情報
機能・材料
リーダー： 常次（物性研）
サブ： 前川（金研）、常行（東大）
寺倉（産総研）
金研、物構研、分子研、東大、NTT
名大、日立、物性研、阪大、京大
産総研、北大、筑波大、物・材機構

ULSI、高速光スイッチ・高密度磁気記憶素子などの開発基盤となる
ナノ固体内電子の伝導・磁気特性を解明することのできる密度汎関数法や量子ＭＣ法計算ソフトウェアの研究開発

物性科学WG

次世代ナノ生体物質

次世代エネルギー

リーダー： 岡崎（分子研）
サブ： 北浦（産総研）、岡本（名大）リーダー： 平田（分子研）
サブ： 永瀬（分子研）、中原（化研）

産総研、名大、京大、分子研
岡山大、化研、東レ、東大

分子研、化研、九大、豊田中研
早大、慶応大、京大

テイラーメード医療の基礎となるドラッグデリバリーのナノプロセス
や生体物質の構造安定分子認識機構を解明することのできる分子動力学法や自由エネルギー解析
ソフトウェアの研究開発

アルコール燃料、燃料電池などを実現するための基礎となる酵素・触媒反応機構を解明することのできる量子化学計算、RISM計算
ソフトウェアの研究開発

グリッド実証リーダー： 斉藤（分子研）
グリッド実証VO形成
ミドルウェアの実証

次世代ナノアプリケー
ション連携ツール
リーダー： 米満（分子研）

分子科学WG

異種アプリケーションの任意な組合せ、結合、実行
GIANT, IGNITIONの開発

ナノ設計実証（公募） リーダー： 高棹（旭化成） スーパーコンピューティング技術産業応用協議会 (158社)
旭化成、 三井化学、 大日本住友製薬、日立金属、富士通研究所、住友化学工業、東芝、旭硝子、昭和電工、日本触媒、ダイセル化学工業
出光興産、JSR、花王など

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内容１ 課題・方法１
次世代ナノ情報機能・材料
ナノスケール物質内電子系の新現象・新機能の探索のための計算科学的技術の構築ナノアーキテクチャに対するマルチスケール・マ
ルチフィジックスシミュレーション技術の開発

32nm技術ノードデバイスなど、高速応答・省エネルギーの次世代電子技術への貢献

ナノ電子デバイス
１．10nmレベルの基本ナノ部品（量子細線、量子ドット）の特性の解析と予測デバイスの更なる高密度実装を目指し、ボトムアップのナノテクノロジーを取入れた新規な電子デバイスの開発が求められている。実験だけでは困難なナノの世界での技術開発に資する計算科学方法論の確立に貢献する。

目 標 １

このような研究のためには10万原子系第一原理計算、電子相関、自己組織化機構、非平衡状態での構造安定性、弾性・非弾性散乱の扱いが必要
しかしながら現時点では、従来の手法を用いても超大規模電子状態計算のための実用的計算手法、および、電子応答特性における電子相関効果や非平衡状態での構造予測、伝導における散乱現象などの解析技術が不十分。
ボトルネックは全電子数の３乗で増える計算時間、および、電子相関効果や電子散乱効果の正確な取り扱いの困難さのため、マルチスケールシミュレーションはほとんど不可能。
本グループにおける挑戦的問題解決
超並列計算とオーダーＮ法による大規模電子状態計算、非平衡グリーン関数法、さらに、マルチスケール法の開発、採用により、次世代スーパーコンピュータの性能をフルに活用
さらには、新規方法論を用いてVVg

電極と量子細線の接合抵抗の解析やナノデバイスのゲートの機構の解明のためのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーションが可能となる。
これらにより、従来は不可能であった

２．電極問題、ゲート作用等、デバイスとしての複合系の機能解析と予測超高密度実装、高速応答、省エネルギーなどを目指す電子デバイス設計の計算科学的方法論を構築。

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内容２

生命体を構成するナノ物質のシミュレーションを可能とする方法論を確立することにより、テーラーメード医療を目指した次世代生命体シミュレーションのナノ基盤を構築する。

課題・方法２
次世代ナノ生体物質

ナノスケールの生体物質の構造や機能を分子レベルで理解するための分子科学、計算科学方法論の確立
ナノ生体物質の複合系であるウイルスの分子プロセスを解析することのできる方法論の確立
ウイルスカプシドの自由エネルギーレベルでの相互作用、動的なふるまいをシミュレートできる方法論

このような研究のためにはウイルス（溶媒である水も含めると１０００万原子系）のグローバルな構造変化、長時間運動を追跡する必要しかしながら現時点では、分子動力学法を用いてもせいぜいが、１０万原子系に対して１００ナノ秒の計算、決まった構造の周りの限られた運動が追跡可能なだけ
ボトルネックは計算機能力が低い、高度に並列化、汎用化した１０００万原子系のクーロン相互作用系の実用的な計算方法がない

ウイルスの全原子シミュレーション
分子レベルの安定構造と熱運動
構成タンパク質間の接合構造

大規模系のクーロン相互作用の厳密な評価法の開発や新規アルゴリズムによる完全領域分割化により、次世代スーパーコンピュータの性能をフルに活用

熱やｐＨがウイルスに与える影響
水や空気などの環境とウイルス
化学物質とウイルス構造
細胞膜、タンパク質との相互作用認識

本グループにおける挑戦的問題解決

46 nm

27 nm

小児マヒウイルス

ウイルスを分子科学、計算科学の俎上に
将来的には感染機構、免疫機構への展開の可能性
予防法、治療法の開発に寄与

さらには、新規方法論を用いてＲＩＳＭ法による溶媒効果の評価、エネルギー表示、熱力学的積分法による自由エネルギー計算
これらにより、従来は不可能であった１０００万原子系に対するマイクロ秒の計算により、自由エネル
ギーレベルでの相互作用、動的なふるまいの解析を実現

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内容３

課題・方法３
次世代エネルギー

化石燃料に代わる恒久的エネルギー源として太陽エネルギーの固定、利用、貯蔵技術、特に、草木質系バイオマスによってエタノールを生成するうえで本質的なプロセスである「酵素反応」の計算科学的方法論を確立する。

酵素反応機構を解明する理論的方法論の構築

このような研究のためにはセルロース分解などの酵素反応へ展開

酵素反応の特徴として、水の中で働くため水を取り扱える理論が不可欠である。また、化学反応に関する分子（基質）をタンパク質内に取り込ませる分子認識の問題の解決が必要。
しかしながら現時点では、量子化学を用いてもエタノールの生成機構等解明
草木質系バイオマスエネルギー利用技術に貢献

水がない環境下での化学反応、あるいは水中の小分子（100原子程度）しか解析することができない。
ボトルネックはセルロースからアルコールを生成するプロセス
セルロース

酵素・触媒反応においては、すべて溶液界面（例：水とタンパク質）の化学反応が関わっている。
従来、この種の問題に適用できる方法論は皆無。
本グループにおける挑戦的問題解決
RISM理論（溶液）と量子化学（化学反応）の組合せやFFTの新規アルゴリズムなどの採用により、次世代スーパーコンピュータの性能をフルに活用。

セルロース分解酵素
セルロース分解酵素

グルコースなどの単糖類
アルコール発酵(酵素：チマーゼ)
エタノール

さらには、新規方法論を用いてRISM理論と3D-RISM理論の組合せより分子認識の問題を解決、両者と量子化学（FMO）の組合せより現実の溶媒中（1023個）での酵素（１万原子）の電子状態計算を実現
これらにより、従来は不可能であったセルロースからブドウ糖などの単糖類を生成するプロセスや単糖類からエタノールを生成する等の計算科学的方法論を構築。6

ナノ分野グランドチャレンジ課題
次世代エネルギー

次世代ナノ生体物質

次世代ナノ情報機能・材料

次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェア
連携ツール

・ナノ分野グランドチャレンジをカバー
・電子・原子・分子から出発した最先端の理論・方法論
GIANT, IGNITION ・ナノ分野計算科学の学術基盤の形成 ・高度並列化アルゴリズム、ソフトウェア
・任意のソフトの任意な結合・連成

フェイズ・フィールド法

量子非線形応答

熱力学的積分法

自由エネルギー

化学反応

量子伝導

強相関効果

量子古典混合近似

エネルギー表示法

フラグメントＭＯ法

非平衡状態

経路積分法

自己組織化

粗視化モデル

非断熱遷移

オーダーＮ

量子モンテカルロ法

拡張アンサンブル法

分子認識

励起状態

密度汎関数法

厳密対角化法モンテカルロ法

溶媒効果

相対論的CI計算

実空間第一原理
ナノ物質シミュレータ

動的密度行列繰り込み群法

高並列
汎用分子動力学
シミュレーションソフト

RISM/3D-RISM

高速量子化学
計算ソフト

中核アプリケーション

方法論開発・超並列化によりペタフロップス級性能を実現

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ワーキンググループ（分子科学、物性科学）の設置
プロジェクト外の計算科学者、実験科学者、企業研究者＋プロジェクトのコアメンバー
成果の普及

実験研究者
企業研究者

計算科学者
ニーズの反映プロジェクトの企画への参加
コアメンバーとの共同研究、勉強会、研究会、講習会（勉強会、研究会、講習会への参加について旅費を支給）

（１）アプリケーショングループとハードウエアグループとの密接な連携（２）次世代スパコンを中核としたＣＳＩに基づくコミュニテイーＶＯ形成