東京大学 物性研究所
スーパーコンピュータ全国共同利用

スーパーコンピュータによる計算物性研究の 革新と未来

東京大学 物性研究所
物質設計評価施設/ 計算物質科学研究センター / スーパーコンピュータ共同利用委員会

The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyoご挨拶
安定的な計算環境の提供は重要性が増してきています。昨今、研究室によってはＰＣクラス
タなどでかなり大規模な計算を実行できる場合もありますが、大学や諸研究機関の研究費がプ
ロジェクト資金的なものにシフトしてきている状況
では、長期にわたって頼りにできる計算資源を物 性 研 究 所では1995 年よりスーパーコン
ピュータの全国共同利用を行ってきています。

物性物理コミュニティーとして確保していることには、大きな意義があると考えています。

この共同利用は、全国の専門家の協力による資源配分と安定的な計算環境の提供を特色としています。

物性研では共同利用開始以来、5 年サイクルのハードウェア更新をこれまで5 度行ってきており、このパンフレットが配布されるころには、主

多くの専門家による無報酬のピアレビューは、

力システムであるシステムBの第 6 世代が稼働し課題申請者が申請書に書いた研究目的、準備ている予定です。また、2010年度から物性研は、

状況、および研究計画に照らして公平に審査さ「京」や「富岳」に代表される国のフラッグシップ

れます。審査員のほとんどは物性研外の専門家

スーパーコンピュータに関連した事業にも参画しです。レビューワーからの審査結果に基づいててきており、2011 年に物性研内に設置された計申請の採否を決定するのは、スーパーコンピュー

算科学センターが中心となってその活動を支え

タ共同利用委員会ですが、この委員も約半数ています。また、スーパーコンピュータ共同利用

は物性研外の委員により構成されています。

においてもユーザの利用をソフトウェアの面から支援するため、
ソフトウェア開発・高度化プロジェ

物性研スーパーコンピュータ全国共同利用は全国の大学・公的研究機関の教員、研究者でクトを2015 年度に開始し、これまでに9 件のソフ
トウェアをソース公開しています。

あり、物性研究を目的とする計画であれば、課題申請を行うことができます。申請には年2回（通

この度、物性研全国共同利用スーパーコン

常 6月と12月）受け付けている定期的なB・C・

ピュータとその運用状況、計算物質科学研究セ

E・Sクラス申請があり、このほか、随時受け付

ンターをご紹介すると共に、物性研スーパーコ

けているものとして、特に緊急度の高いと認めら

ンピュータを利用してそれぞれの分野に大きなイれるＤクラス課題、また小規模な試用計算のた

ンパクトをもたらす研究成果をあげられた方々にめのAクラスがあります。実際の採択率も非常お願いして、共同利用に関するこの小冊子を作に高い率を維持していますが、特にスーパーコン

りました。従来のユーザや将来ユーザになる可ピュータでなければ実行できない大規模計算を能性のある皆様に物性研スーパーコンピュータ

推進する観点から、審査員による評価に基づい全国共同利用の来歴・概要・展望をより知ってて充足率には差をつける運用を行なっています。

いただく一助となれば幸いです 。
2021 年 3月

CONTENTS

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19

物性研究所では、スーパーコンピュータハードウェアのタはそのなかでも最大規模の設備です。ハードウェアの並

全国共同利用を始めとして、計算物性科学に関連した様々列化に伴って大規模計算のなかのソフトウェアの役割の重な事業を行っています。その事業を主に担っているのは、要性が高まってきており、MDCLでは、ソフトウェアの高度

物質設計評価施設（MDCL）と、
計算物質科学研究センター

化・開発事業にも力を入れています。

（CCMS）の二つの組織です。MDCL では、様々な実験

また、人材育成や目的特化型の外部資金によるプロジェ

設備の共同利用の一環として、スーパーコンピュータハード

クトの受け皿としてCCMS が設立されましたが、そちらにウェアの共同利用を運営していますが、スーパーコンピュー

ついては、p.17 〜２０で別途紹介しています。

物質設計評価施設

スーパーコンピュータ全国共同利用《 MDCL 》（ ハードウェア運用, ソフトウェア高度化, … ）計算物質科学研究センター

外部資金プロジェクト

所長《 CCMS 》（ 富岳, PCoMS, 元素戦略, … ）システムの変遷

1960.06 - 【 所内利用時代 】■ 富士通 FACOM 202(PC2)■ 富士通 FACOM 270-30■ 富士通 FACOM 230-48

主な計算物理〈主要プロジェクト〉
金属・イオン結晶のバンド計算
量子モンテカルロ法● 遷移金属中不純物の電子状態計算● ハバードモデルの数値対角化計算● ハバードモデルの量子モンテカルロ計算●●■ 富士通 FACOM M-160F■ 富士通 FACOM M-360■ 富士通 FACOM M-380R■ 富士通 FACOM M-380

1995.01 - 【 全国共同利用の開始 】■ 富士通 VPP500/40■ SGI Origin 2000(24CPU)■ Intel Paragon(66CPU)

1

レプリカ交換法
スピングラス問題の数値計算による検証● カーボンナノチューブのエキシトン● ヘテロダイヤモンド構造 BC 2N の第一原理計算● 非平衡緩和法●●

part 1

2000.03 -2000.03 -■ 日立 SR8000/60
model F1

■ SGI Origin 2800/384

2005.03 -2005.03 -■ 日立 SR11000 model
J1/48■ SGI Altix 3700 Bx2/1280

2010.07 -2010.07 -■ NEC SX-9

■ SGI Altix
ICE 8400EX

2013.04 2015.07 -■ 富士通 PRIMEHPC
FX10

スーパーコンピュータ全国共同利用

量子モンテカルロ法の並列化
経路積分繰り込み法● 3 次元ハイゼンベルクスピングラスモデルの
大規模計算● 数値行列対角化法によるアンダーソン局在のスケーリング理論の検証● カーボンナノチューブの電子状態計算● 確率変動法と2 次元クロックモデルへの適用● 表面への水素原子吸着の第一原理計算●●

２バンドハバードモデルの動的平均場近似計算
帯電した表面付近の第一原理分子動力学計算● 遷移金属化合物での巨大スピンホール効果● 蛋白質結晶における水和効果の分子動力学計算● ナノ構造体の密度汎関数計算● 価数転移の量子臨界点近傍に出現する超伝導● ジョセフソン接合配列での非線形電気伝導、
非線形レオロジー●●

カゴメ格子ハイゼンベルグ反強磁性体の厳密対角化法による研究● 高強度パルスレーザー伝播の第一原理計算● 遷移金属酸化物の第一原理計算● 電極反応の第一原理シミュレーション● 鉄系超伝導体の変分モンテカルロ計算● 並列化マルチワームアルゴリズム● フラストレート磁性体におけるトポロジカル相転移●

第一原理計算による熱電材料探索
大規模並列電子状態計算手法の開発● 大規模計算とデータ駆動手法による高性能磁性材料の研究● 高分子材料の破壊プロセスの大規模粗視化分子
動力学シミュレーション● キタエフ模型による量子スピン液体研究● テンソルネットワーク/ ニューラルネットワークを用いた量子多体系の解析●●■ SGI ICE XA/UV2018.01 ■ HPE SGI 8600

2020.10 ■ Dell EMC
PowerEdge
C6525/R940

2

新 システム導入のねらい

超大規模並列計算を可能にする Dell EMC PowerEdge
物性研究所スーパーコンピュータセンター第六期の計算するような研究や、最近発展している機械学習を用いた物

機システムとして、Dell EMC PowerEdgeを中核とするシ性研究も行われている。この状況下では、利用者から寄ステムB（ohtaka）を2020 年の 8月に導入を開始し、10月せられる様々な要求を全て満足できるようなシステムを導入

より全面稼働した。これにより総理論演算性能は約 2.6 倍することは不可能である。しかしながら、利用者アンケートに増強されて6.9PFLOPSとなった。本システムはスカラーの結果からは重要なキーワードが浮かび上がってきている。

型の演算器で構成されており、1995 年に本研究所にスー重要な鍵は、①超大型計算を可能にする先端的な機能、

パーコンピュータが導入されて以来初めて、アドバンスト・②既存のプログラムが高速かつ安定に動作する計算環境、

マイクロ・デバイセズ（AMD）のCPU が採用された。1ノー③できる限り多くの計算時間の提供にある。①に関しては、

ドに２CPU、128コアが搭載されている。これは、前機種

超大型計算を可能とするため、新システムでは、ノード間の 24コアの 5.3 倍のコア数であり、より高並列の計算が可は高速なネットワークで繋がっている。②に関しては、各能となっている。また、大規模メモリを必要とする計算の研究室のPCクラスタで作り上げたプログラムを最小の労力ために３TB のメモリを搭載するFATノードも導入した。こで動かせるシステムの導入が必要であり、PCクラスタ環境

れは前機種の 3 倍のメモリサイズであり、より大規模なシスとの親和性の高いシステムの導入が望まれていると考えら

テムの計算が可能となっている。

れる。そのため、前機種に搭載されたIntel Xeon CPU

本センターでは500 人規模の全国のアカデミック利用者

同様、親和性の高いAMD CPUを搭載している。③に関を抱えており、利用者の過半数が自作プログラムを用いてしては、できるだけ総理論演算性能を高めることが必要で計算を行っているのが特色である。一方で先鋭的な自作プあり、多くのCPUを用いたシステム構成が望まれているとログラムを長期間かけて開発して計算の限界に挑戦するよ考えられる。本システムはこれらの要求を最大限に満たせうな研究が行われ、他方で独創的な理論研究をサポートるように設計されており、物性研究のレベルアップに大きくするのに必要な数値計算が行われている。また、既存の貢献するものと期待することができる。

パッケージを用いて実験結果の解析やデータベースを作成

3

Introduction of New Supercomputing System

part 1

スーパーコンピュータ全国共同利用システム B, C の性能諸元

物性研究所スーパーコンピュータは 2020 年現在、システムB（ohtaka）とシステムC（enaga）の2つのシステムで構成されている。それぞれのシステムの性能と特性を概観してみる。
物性研究所では、国内有数の総理論演算性能を有す

標準的な構成のCPUノードを1680ノード、大容量メモリをるシステムB（ohtaka, Dell EMC PowerEdge C6525/

搭載したFatノードを8ノード有した構成となっている。CPU

R940）とシステムC（enaga, HPE SGI 8600）の 2 つのスーノードには、1ノードに128コアをもつAMD EPYC 7702

パーコンピュータシステムを共同利用に供している。

（Rome）を採用し、少数ノードでも大規模並列計算が可能となっている。2020 年 6月まで稼働していた旧システムB

2018 年 1月に稼 働を開 始したシステムC（enaga）は、が 1ノードあたり24コアであったことと比較して、ohtakaでCPUにIntel Xeonを採用した汎用的な高密度型水冷計

はコア数が 5 倍以上に増大しており、大規模並列計算に適算機であり、774TFLOPS の総理論演算性能を有する。

したソフトウェア開発と相まって、これまでにない高いアプリ

1ノードに40コアを含む計算ノードを252ノード有すること

ケーション性能を引き出すことが期待される。ユーザは1 つにより、高並列な計算を可能にしている。計算ノードはセの計算ジョブで最大 144 のCPUノード（〜 590TFLOPS）

ルと呼ばれる密閉構造の中に配置されており、セルの中でを占有して計算を実行することができ、合計 18432コアに発生した熱の冷却はほぼ全てがエネルギー効率の高い水よる超大規模並列計算が実行可能である（2020 年 10月

冷システムによってまかなわれている。

現在）。これはシステムC（enaga）の総コア数の 1.8 倍に相当する。また、水冷冷却方式として「Passive Rear

2020年10月に新たに稼働を開始したシステムB（ohtaka）

Door Cooling Unit」が採用され、CPU で生じた熱をラッ

は、約 6.9PFLOPS の総理論演算性能をもち、2020 年のクの背面にあるコールドプレートにより冷却することにより、スパコンTop500 では 87 位となった国内屈指のスーパー

電力と冷却のバランスの取れた効率的なシステム運用を

コンピュータシステムである。多様なニーズに応えるため、可能にしている。

システム B

CPU
ノード構成
メモリ
ノード数
理論演算性能／ノード
理論メモリバンド幅／ノード

ノード間ネットワーク

ファイルシステム
総理論演算性能システム CCPU ノード

FAT ノード

AMD EPYC 7702

Intel Xeon Platinum 8280

Intel Xeon 6148

（64 cores, 2.0GHz）× 2（28 cores, 2.7GHz）× 4（20 cores, 2.4 GHz）× 2

256 GB DDR4-3200

3 TB DDR4-2933

192 GB DDR4-2666

1680

8

252

4.096 TFLOPS

9.677 TFLOPS

3.072 TFLOPS

409.6 GB/s

563.136 GB/s

255.936 GB/s

Infiniband HDR100（2X）

Infiniband HDR100（2X）

Infiniband EDR（4X）× 2（片方向 12.5 GB/s）（片方向 12.5 GB/s）（片方向 12.5 GB/s）

Fat tree トポロジー

Fat tree トポロジー

Enhanced hypercube トポロジー

Lustre ファイルシステム

Lustre ファイルシステム/home 300 TB, /work 2 PB

/home 70 TB, /work 430 TB

6.88 PFLOPS

77.4 TFLOPS

774 TFLOPS

4

物 性 研 究 所

計算機性能と計算物性分野の変遷‥‥ 第 一 期 1995-2000 ‥‥施した。また独自の計算手法の開発が積容易に高速化が達成される状況であった。

物理学における計算機利用が急速に極的に進められ、福島孝治らの交換モン

また、CPU の単価が急激に下がったた拡大したのは、大型計算機の演算性能

テカルロ法などが成果として生まれた。

ベクトル演算器を搭載したスーパーコン‥‥ 第二期 2000-2005 ‥‥が低下した。そこで第三期（2005 〜）のピュータの高い性能は驚きを持って迎えら第一期システムの導入以降、５年毎にシステムBとしては、多数のCPU から構成れた。その頃から計算機が多くの研究者

システムが最新のものに更新されている。

されるスカラーパラレル機であってPCクラにとって研究に不可欠な手段とみなされ初期スーパーコンピュータ導入後に顕著

スタで行われる計算もスムーズに移植可能

るようになり、さらに計算物理という分野に起こったのは計算機のダウンサイジングなものが望まれた。多数のCPUを運用す

が実験物理と理論物理と並ぶ新しいカテである。比較的安価なPC 等をネットワー

るために設置場所と冷却能力の問題が大ゴリーとして発展しはじめた。それに伴っクで接続したクラスタ計算機が飛躍的にきくなったため、物性研としては初めてのて、様々な研究拠点におけるスーパーコ

高速化を遂げた。デスクトップスパコンと試みとして、データセンターにスーパーコ

ンピュータセンターの整備が進み、研究いう言葉が生まれ、先進的な研究者がそンピュータを設置してリモートアクセスする者に計算機資源が手厚く提供されていく

れぞれのグループ単位でその利用を始め方法を取ることとなった。一方、高いデーこととなった。我が国の計算物性科学にた。そのため第二期のシステム（2000 〜）

タ転送性能が要求される第一原理計算のおいては、海外や他分野の動きに比べてを導入する際、ベクトルパラレル型の計ような計算は、スカラーパラレル機ではカ

計算機センターの整備に遅れ、1980 年

算機（システムA）だけでは利用者の要求

バーされなかったためベクトルパラレル機

代後半に計算科学としての分野形成のを満たすことができないと判断され、スカの需要も多く存在した。そのため第三期立ち遅れが顕著になってきた。このためラーパラレル型の計算機（システムB）も加においてもシステムAのハードウェアを引き

物性科学研究者による「物性研究のためえた複合システムを導入することとなった。

続き並行して導入することとなった。こうしの大型計算機センター設置ワークショップ」

システムAとして導入されたのは日立製のた背景から、2005 年に疑似ベクトル機で（1987 年）が開 かれ、日本 学 術 会 議の

SR8000/60 model F1で、これはベクトル

あるHitachi SR11000がシステム Aとして、物理学研究連絡委員会によるスーパーコ機として位置づけられるものの、ソフトウェ

Intel Itanium 2で構成されるSGI Altix

ンピュータ導入に向けた活動などを経て、ア等で疑似的にベクトル演算を達成させた

3700 がシステムBとして導入された。後者

1995 年 4月から物性研究所にセンターがものであり、CPU 技術的にはスカラー計の計算機は、スカラーパラレル機の中で発足することとなった。最初に導入された算機と考えることができる。システムA はもメモリ転送にコストがかけられた高性能の はFUJITSU VPP500/40 である。こ

第一期に比べて計算ノード数が 40 から60機であり、バランスが取れたシステムであれは航空技術研究所と富士通が共同開に増加した結果、より多数の計算を同時る。システムBのメモリ転送性能が引き上発したベクトルパラレル型と呼ばれる新方に実行することが可能になりユーザ層のげられたため、両システムを併用して計算式のスーパーコンピュータであり、砒素化拡大に寄与した。システムBとしてはSGIするユーザが増加し、主な計算機をシス

ガリウムLSIなどを採用することなどにより製のOrigin 2800/384 が導入された。こテムBに集約していくことが可能になった。

世界最高速を誇った。この計算機資源のスカラーパラレル機は384CPU から成る

この時期は地球シミュレータ活用や京コンをできるだけ多くの物性研究者に配分し、ものであり、これを用いた大規模計算がピュータ利用準備などが盛んに行われた

しかも緊急性や重要度の高い研究課題

導入当初から積極的に行われた。例えば

時期でもある。これらの大型スーパーコン

は重点化するといった基本方針を定めて2000 年度には、藤堂眞治のモンテカルロ

ピュータの導入により並列プログラミング技

全国共同利用が始まり、それが今日も継計算や大槻東巳らのスケーリング計算など法の普及が進み、大規模計算を指向す

承されている。第一期から大規模計算がの大規模計算が行われた。

る研究者が急増した。例として、押山淳らの次世代スーパーコンピュータ用の大規

積極的に行われ、例えば常行真司らは5め、研究室のPCクラスタと比較した際のスーパーコンピュータの相対的な優位性が飛躍的に向上した1980 年代であろう。

第一原理経路積分法とよばれる方法で結‥‥ 第三期 2005-2010 ‥‥模第一原理計算プログラムRSDFT の開晶珪素中の水素不純物状態を調べる等、

2000 年頃はCPU 動作周波数の著しい発や、大谷実らによる物性研スーパーコン

専用のスーパーコンピュータでなければな向上が見られた時期であり、その結果特ピュータや地球シミュレータを用いた反応

かなか着手できない規模の大型計算を実に苦労して並列プログラミングをしなくても動力学の大規模応用計算などがある。

part 1

スーパーコンピュータ全国共同利用‥‥ 第 四 期 2010-2015 ‥‥対策として計算機システムの移設が真剣能にする一方でCPUのみの使用において第三期頃から、徐々にCPU の発熱やに議論された。結果として移設は行われも満足すべき性能をだせるようなバランス

電気使用量が増加し、PCクラスタの設なかったが、学内の節電の要請に応えてを持った計算機を導入することとなった。

置や維持のためのコストが表面化した。

最大半数のノードを停止させて縮退運転

こうして導入されたのが、Intel Xeonと、

そのため、個別研究室レベルのPCクラが行われるようになった。その後節電のNVIDIA Tesla K40 からなるハイブリッド

スタで計算するよりもセンター利用を指向要請は無くなったが電気料が大幅に値上システムSGI ICE XA/UV であった。さする研究者が増加した。実際、徐々にがりし予算的には厳しい運用となった。第らに、2018 年 1月よりシステムB の計算性センター利用者が増加し計算機利用率も四期に行われた特筆すべき計算事例とし能を補強するため、システムCとして、ス

高水準を記録した。一方、第四期の調ては、元素戦略に関連して永久磁石のたカラー並列機HPE SGI 8600を導入した。

達にあたっては、総使用電力量の面からめの新素材に関する三宅隆らによる第一

このように、第五期の一般的ハードウェア

データセンターの利用が困難となり、物性

原理計算、イリジウム化合物とキタエフスの性能向上は高い並列度やGPGPUなど

研建屋内に配置する必要が生じた。この

ピン液体との関係を明らかにした山地洋平のアクセラレータなどの導入に依存する部

ため、物性研計算機センターの大規模ならによるダウンフォールディング計算、渡辺

分が大きく、これらを最大限に活用する

電源拡張工事を行って計算機調達に臨

宙志らによる大規模MDシミュレーションにためのソフトウェアの高度化にかかる人的

むこととなった。同時に、冷却も空冷かよる液体を急減圧した時の気泡発生メカ

コストがこれまでになく高いものとなった。

ら水冷への転換することとした。この結ニズムの解明、などがあげられる。

これを個々のユーザが負担するのは従来のアプリケーション開発と比較して格段に果、システムBを主柱とする一方、必要最小限の規模のシステムAを導入して高‥‥ 第五期 2015-2020 ‥‥大きな困難を伴うため、物性研では、第速メモリ転送を必要とする特殊用途に供第四期から第五期にかけて、発熱の五世代システムB ハードウェアの導入に合することとなった。導入されたのはNEC問題等で性能向上に鈍りが見え始めた

わせて、ソフトウェア開発・高度化プロジェ

SX-9（システムA）およびSGI Altix ICE

CPUに対して、元来グラフィックス用に用

クト、およびGPGPUソフトウェア移植サー

8400EX（システムB）である。導入当初

いられてきたGPUをグラフィックス以外にも

ビスの２つの事業を開始した。とくにソフは170TFLOPS というトータルのスペック

用いる技術であるGPGPU や、シンプルな

トウェア開発・高度化プロジェクトでは１３は大きく、システムBは使ってもなかなかポコアを大量に集積したメニーコアマシンな件の提案に基づいて９件のソフトウェアを

イントが減らないと評された。また、2013

ど、低消費電力で高い性能を持つアクセ

開発し、物性研スーパーコンピュータ上

年 4月からは京コンピュータの練習機とし

ラレータ付きのスーパーコンピュータが新での利用に供するとともに、オープンソーてFUJITSU PRIMEHPC FX10 がシス

たなトレンドとなった。しかし、これらの採スコードとして公開した。第五期におけるテムCとして導入された。その一部は戦用は物性研スーパーコンピュータ共同利

代表的な研究例としては、求幸年らによ略枠として京コンピュータ戦略課題や元用にとってはチャレンジングな状況であっるスピン軌道相互作用系に関する一連の素戦略＜拠点形成型＞など物性研が参た。物性研スーパーコンピュータの多くの計算、尾崎泰助らが開発した第一原理画する大型プロジェクトの支援のために提ユーザが自作アプリケーションで計算を行

計算アプリケーション OpenMXを利用し供されることとなった。第四期においては、なっている一方で、彼らはプログラミングた石井史之らによるエネルギー変換材料

新システムB 導入当初から大規模計算がだけを専門に仕事にしているプログラマーについての実験家との協力研究、樋口盛んに行われた。例えば、中野博生はシではないため、通常のスカラー並列期か祐次らによる半結晶性ポリマーの粗視化

ステムBの過半数のCPUを用いた厳密対らアクセラレータ向けのソフトウェアへの改

分子動力学シミュレーション、などがあげ

角化の計算を行った。また、京コンピュー変や高度化は非常に高い技術的なハードられる。

タの練習機としてシステムB が利用され、ルになるからである。計算物性科学コミュ

1000CPUを超えるような大規模計算が頻

ニティに対して使いやすい計算環境を提繁に行われた。しかし、2011 年 3月11日

供することと、計算物性科学における先の東日本大震災に伴う原発事故をきっか端的な計算を先導する役割との両立がけとして電力事情がひっ迫すると、しばら課題であった。このため、システムB のくの間計算機を停止せざるを得なくなり、一部にGPUを搭載しGPGPU の利用も可

6東京大学物性研究所では 1995 年に初めてスーパーコンピュータが導入されてから現在にいたるまで物性研究コミュニティのための計算資源を安定的かつ継続的に提供している。システムは高い稼働率と利用率を維持しており、関連論文も継続的に出版され続けている。
東京大学物性研究所では、物性研究のための大規模計2013 年度からは電子版となり、ウェブ上で誰でも閲覧可能で

算資源への要望の高まりに答える形で、1995 年に物性研ある。関連論文は毎年 500 編前後出版されており、物性研

初代スーパーコンピュータを導入、運用を開始した。当初

スーパーコンピュータが物性研究の発展に大きな貢献をしてから物性研究コミュニティに公正かつ効率的に計算資源をいることがわかる。

配分するため、計算時間の上限を設定したクラス分けを行っ2015 年からソフトウェア開発・高度化プロジェクトを行っている。現在では小さい方から順にクラスB, C, Eを設けてており、ユーザがソフトウェアやアプリケーションソフトをスーいる。物性研究分野において特に重要な課題で、かつ大パーコンピュータで使いやすいように、ソフトウェアの整備を

規模計算を伴うものを重点的に支援するために、Sクラスが継続的に行っている。今後も物性研は計算資源を安定的設けてある。これらの課題は年に二回（前期、後期）の申に、かつ使いやすい形で物性コミュニティに提供するため請を受け付けているが、緊急に大きな計算資源を必要とすに努力を続けていく。ユーザの皆様は是非有効に活用し、る課題（Dクラス）と、初めての利用者向け課題（Aクラス）

すばらしい成果を挙げていただきたい。

は随時申請を受け付けている。
プロジェクト採択数は年々増加しており、システムB が更新される2020 年度では300 件を超えるプロジェクトが採択された。分野別課題採択数の推移を見ると、第一原理計算分
野の採択数が増えている。専門家以外でも利用できる第一
原理計算アプリケーションが整備されたことを反映している。
2005 年度に新設した実験・データ解析や他の分野からの採択数は安定しており、各分野から満遍なく課題が採択されていることがわかる。
計算機の稼働率は、
2000年度以降概ね95%を超えており、
物性研のシステムが高い安定性を持った、信頼性の高い計
算資源であることを示している。2010 年度と2011 年度に稼働率が低下しているのは、2011 年 3月に発生した東日本大
震災の影響を受けたものである。
利用率（稼働時間中に計算資源が使われた割合）は、第五期のシステムB が導入された2015 年から約 90%と高い水準を維持しており、計算資源がユーザによって有効に使われていることがわかる。2018 年に導入されたシステムCの利用率も順調に伸びてきている。
物性研スーパーコンピュータは利用者に無料で提供されているため、毎年利用報告書の提出、及びスーパーコン
ピュータを利用して得られた成果が論文として出版される際には謝辞に物性研スーパーコンピュータを利用したことの明記を義務づけている。利用報告書は、数編の招待論文と共7にActivity Reportとしてまとめられ、毎年発行されている。

分野別課題採択数の推移

part 1

スーパーコンピュータ全国共同利用

スーパーコンピュータ運用実績

8

東京大学物性研究所では、スーパーコンピュータの共同

なお、プロジェクトで高度化されたソフトウェアはオープンソー

利用（以下、物性研スーパーコンピュータ）の一層の普及

スソフトウェアとして公開することを基本としている。そのたを目指し、2015年4月からソフトウェア開発・高度化のプロ

め、成果物は物性研スーパーコンピュータに留まらず様々なジェクト（Project for advancement of software usability in

計算機資源で利用可能であり、本プロジェクトを通した物性[1]materials science, PASUMS） を開始している。PASUMS
では、並列計算アルゴリズム、アーキテクチャの高度化・複2015 年度から2019 年度まで、10 件の課題が採択されて雑化に対応するため、物性研究分野で特に重要であり、いる（下表）[2]。これまで結晶構造から電子状態を計算する

物性研スーパーコンピュータ上での利用が見込まれるプログことが可能な第一原理計算に関連したソフトウェア、第一原

ラムを対象に、その開発または高度化を行う。利用者がより理計算により得られた電子状態をもとに複雑な電子の絡み合

簡便に高度な並列計算を実施できる環境を整備することで、いを表現できる有効模型を構築するためのソフトウェア、そ新奇現象の予測や実験結果の検証などを迅速に可能とすして得られた有効模型を解析するソフトウェアの開発・高度

る、ユーザビリティの高い計算機資源の提供を目指している。

化が行われてきた。これらは、関連するソフトウェアとともに、対象とするプログラムは、毎年物性研究所スーパーコン

物性研スーパーコンピュータへのプリインストールがされていピュータセンターからの公募により募集を行い、共同利用委る。これにより結晶構造を出発点にした現実的な模型の高員会による審査の上で選定する。選定されたプロジェクトは、

精度解析を、物性研スーパーコンピュータ上でシームレスに提案者・提案者の指定する研究協力者
コーディネータ（物性研教員, 1 名）
● プログラム作成者（物性研専任職員，２名程度）● その他物性研スタッフ若干名

実施することが可能となった。また、近年では物質科学のの体制のもと、約 1 年の期間を通しソフトウェアの開発・高た背景もあり、2020 年度では機械学習の一つであるベイズ

度化を行う。高度化支援では開発だけではなく、付随する最適化パッケージCOMBOの高度化や、実験データの高精

ドキュメントの整備や普及支援（物性研スーパーコンピュー度かつ高速な解析を行うためのツールの開発といった、新しタへのインストールやウェブページへの掲載など）、物性研

い種類の提案が採択・実施されている。このように、最新

スーパーコンピュータでのテスト計算なども実施する。
プロジェの物性科学分野のニーズを汲み取ったユーザビリティの高

クト終了後は、ハンズオン講習会の開催やソフトウェア論文

い計算機資源・環境の提供、その実現に向け日々取り組んの執筆などの支援を行い、ソフトウェアの普及にも取り組む。

でいる。

●
●

9

物理コミュニティ全体への発展の寄与が期待される。

課題解決へのアプローチとして、理論科学、実験科学、計算科学に加え、データ科学が盛んに活用されている。こうし[1] https://www.pasums.issp.u-tokyo.ac.jp[2] https://www.pasums.issp.u-tokyo.ac.jp/listpart 1

スーパーコンピュータ全国共同利用

研究環境の情報通信技術の発達および計算機の性論文に用いた研究データや物性科学分野に役立つデー

能の発達に伴い、研究データの収集・蓄積が急速に進

タセットの保管・公開などを行うことで、物性科学分野のんでいる。蓄積された研究データを公開・活用すること屋台骨として貢献できればと考えている。

で、研究活動の迅速化や学際的な研究活動の進展およ

現在はデータリポジトリ本体及びデータにアクセスするび、データ科学による新たな研究領域の創成が期待されためのポータルサイトの構築を進めており、2020 年度はる。このような背景を受け、物性研究所でも物質科学に「富岳」成果創出加速プロジェクトやソフトウェア開発高

おける研究データの蓄積・有効活用を行うための場として度化プロジェクトなど、一部のテストユーザでの運用を行

データリポジトリを設けるべく、その準備を進めている。まう予定である。これらのテスト運用を経て、将来的には、た、公開したデータセットへのアクセスを円滑に行えるよう

実験データも含めた物性科学分野のデータの保管・公にするため、データリポジトリ本体と連携するポータルサイ

開を行い、データ同化科学なども視野に入れた利活用をトの開設も並行して行っている。本データリポジトリを用い、目指している。

10

part 2

研究ハイライト

持続可能な社会を実現するため、環境生じた温度差により起こる熱の流れ・電子倍の異常ネルンスト効果の増大を発見すると調和したエネルギー利用の重要性が急の流れの方向に電圧が生じる「ゼーベック

とともに、薄膜でも性能を維持し、室温・速に高まっている。身近な家電や自動車な効果」
が多く研究されてきた。これとは異なゼロ磁場で世界最高の異常ネルンスト効果

どから排出される、棄てる「熱」：廃熱を回る熱電効果に、温度差によって起こる熱のを実現した。そしてその起源として、ベリー

収して電気として再利用する熱電発電や、

流れ・電子の流れの方向と垂直に電圧が曲率を大きくすることが知られている電子の太陽エネルギーによる太陽光発電の幅広生じる「ネルンスト効果」がある。通常の「ネ特徴である「ノーダルライン」が複雑に蜘蛛い活用に期待が集まっている。物性物理学

ルンスト効果」は磁場下で生ずるが、外かの巣の様に絡み合った「ノーダルウェブ」と分野では、高効率なエネルギー変換材料

ら磁場をかける代わりに磁性体の電子スピ名付けたトポロジカルな電子構造を明らかの探索・デザインと創製や、新しいエネル

ンが生み出す「仮想磁場」が引き起こす「異にした。図 1に実験による異常ネルンスト

ギー変換機構の提案と実現が重要な研究

常ネルンスト効果」が近年注目されている。

電圧の測定結果、理論計算による鉄系材料

テーマになっている。以下では最近の我々

この「仮想磁場」は物質の波動関数の曲率Fe3Gaの電子構造におけるノーダルウェブ、の研究から関連する二つの取り組みについ（ベリー曲率と呼ばれる）に起因しており、その周辺での高い仮想磁場（ベリー曲率）をて紹介する。

近年のトポロジカル絶縁体などの研究でも示した。異常ネルンスト電圧はこれまで発電子の状態（波動関数）を特徴付ける新た見されている最大値にせまるものであるが、な量として重要となっている。

熱電発電に応用するにはまだ小さく、この最初に、排熱から電気を創ることへ応用が期待される、高い熱電変換現象を示す磁気物質の研究についてである。熱電変換効

我々は実験グループと共同で鉄にアルミ

ノーダルウェブを活用した高い熱電変換効率を高める試みの中で、物体に熱を与えてやガリウムを添加した材料で鉄単体より20率を示す新しい物質の発見が待たれる。

図1

11

ⅰ

鉄系材料における磁気熱電効果とその起源[1]。異常ネルンスト電圧の磁場依存性（左）とそのゼロ磁場での起源と考えられているノーダルウェブを形成する

バンド構造（中）、ノーダルウェブ周辺の仮想磁場（ベリー曲率）の分布。

Quantum simulations of environmental

環境調和型エネルギー変換材料の量子シミュレーション
金沢大学 ナノマテリアル研究所

石井 史之

果であるスピン軌道相互作用の電子構造必要があるが、この現象の太陽電池高効と関連する「光誘起スピン流ー電流変換現への影響が重要となる。スピン軌道相互作率化への応用が期待される。

象」に関する研究について紹介する。電子用による電子構造への影響は二つの異なる

以上の２つの研究で明らかにされた環の持つ磁石としての性質であるスピンの流物質を接合した界面で大きくなることが明境 調 和 型エネルギー 変 換 材 料に関するれをスピン流と呼び、電子の電荷の流れでらかになっている。我々は実験グループと研究は、身の回りの微小エネルギーからある電流と同様に、エレクトロニクスへの共同で貴金属とスピン軌道相互作用が大“ その場で” 自給自足で電気を創る「エネ応用が期待されている。特に、既存の電きなビスマス元素を含むBi 酸化物Bi2O3 のルギーハーベスティング」技術として、IoT

子デバイスへ応用するためには、スピン流界面で、円偏光を照射することでスピン流（Internet of Things： モノのインターを電流へ変換する必要がある。これはスピを生み出すことが可能であること、そしてネット）への応用へ向けても有 望であり、ン流を活用したエネルギー変換材料におその生じたスピン流を電流に変換すること

今後のさらなる研究の進展が望まれる。

いても同様である。例えば、温度差によっが可能であることを明らかにした。図 2 にてスピン流が生ずるスピンゼーベック効果

界面における光で誘起されるスピン流の模から電力を取り出すためには、スピン流を式 図、 銅/Bi 酸 化 物の界 面における電 荷

電流に変換する必要がある。

分布、スピン軌道相互作用によって生じた

次に、太陽エネルギーによる太陽光発電

スピン流と電流の相互変換には物質中

Rashba 効果と呼ばれる現象による電子構の電子が原子核近傍で光速に近づく速い

造のエネルギー分裂を示した。自然光を円スピードで運動する際に生ずる相対論的効

偏光へ変換する等、さらに研究をすすめる

図2

参考文献
［ 1 ］ A. Sakai, S. Minami, T. Koretsune, T.

Chen, T. Higo, Y. Wang, T. Nomoto, M.
Hirayama, S. Miwa, D. Nishio-Hamane, F.
Ishii, R. Arita and S. Nakatsuji, Nature 581,
53 (2020).
［ 2 ］J. Puebla, F. Auvray, N. Yamaguchi, M.

Xu, S.Z. Bisri, Y. Iwasa, F. Ishii, and Y. Otani,
Phys. Rev. Lett. 122, 256401(2019).

酸化物/ 貴金属界面（Bi2O3/Cu）における光誘起スピン電流［2］。光で誘起されるスピン流の模式図（左）と計算された電子状態密度分布（中）とRashba 効

果によるエネルギー分裂（右）。

lly friendly energy conversion materials

12part 2

研究ハイライトⅱ

Majorana particles
in magnets
人類が磁石と出会ったのは古代ギリシア

21 世紀に入って、この量子スピン液体

模型が、ある種の物質群の良いモデルとなとされる。以来数千年にわたって磁石は人研究に大きな転機が訪れている。これは、ることが指摘されたことである。これにより、

類社会の発展に貢献し、現代では電子機

2006 年のA. Kitaev によるキタエフ模型

現実の物質中に量子スピン液体とマヨラナ

器や情報・通信はいうまでもなく、医療やの提案に端を発する。キタエフ模型とは、粒子を実現できる可能性が急速に浮上して都市基盤、交通・物流に至るまで我々の生

2 次元蜂の巣格子上に配列した磁気モーメ

きた。これらを通じて理論と実験の協働と活を根底から支えている。にもかかわらず、ントの間に、3 種類のボンドに沿って異ないう世界的な潮流が巻き起こり、長年の謎

人類が磁石の示す性質（磁性）を本質的にる相互作用が働くモデルである（図 1）。こに包まれていた量子スピン液体の素顔が解理解するには、20 世紀初頭に発見されたの模型が大きなブレークスルーをもたらし

き明かされようとしている。

量子力学を待つ必要があった。これは、磁た要因は 2つある。一つは、この模型が、量子スピン液体の性質を明らかにする上性の理解には古典的な電磁気学では不十絶対零度において量子スピン液体を実現すで重要となるのは、実験的に検出可能な量

分で、物質中を運動する電子が示す量子ることが厳密に示されたことである。この子スピン液体固有の特徴を捉えることにあ

力学的な性質が不可欠であったためであ

量子スピン液体では、特筆すべき性質としる。キタエフ模型以前にも数多くの研究がる。すなわち、磁性とは室温で現れる量子て、電子のスピンが「分裂」し、マヨラナ粒

なされてきたが、量子スピン液体がドロド現象なのだ。

子が現れる。マヨラナ粒子とは、自身とそロとした液体的な状態であって、例えば強磁性のもととなるのは、電子のスピンにの反粒子が等価という奇妙な性質を持つ粒磁性体の巨視的な磁気モーメントのような由来したミクロな磁気モーメントである。

子で、1937 年にE. Majorana によって理わかりやすい指標を持たないために、万人

物質中にアボガドロ数程度存在するこの磁論的に予言されて以来、素粒子物理学のが認める明白な証拠を得ることが難しかっ

気モーメントが、量子力学的に生じる相互分野において長年追い求められてきた幻のた。キタエフ模型においても同様の困難は作用を通じて互いの向きを揃えることで磁素粒子である。キタエフ模型は、この幻のあるが、スピンが分裂してマヨラナ粒子が性が発現する。この描像に基づいて、強磁

素粒子が磁石の中に潜んでいる可能性を示

現れることが大きな手がかりを与えている。

性や反強磁性、らせん磁性といった多彩なしたことになる。もう一つの要因は、このすなわち、このマヨラナ粒子を実験的に捉現象が理解されてきた。ところが、1973
年にP. W. Anderson は、これらとは全く異なる量子状態の可能性を示した。そこで
は、磁気モーメントが互いに強く相互作用
しながらも、向きを揃えることなく乱雑なままにとどまるとされる。これは、磁気モーメント同士がドロドロと量子力学的に絡み合った「液体」的な状態と見ることができる。
このことから、この新しい量子状態は量子スピン液体と呼ばれる。このような状態が実現しうるかどうかは、物性物理学における大問題として半世紀にわたって研究され
てきた。

13

図1

磁性体とキタエフ模型、およびそこに現れるマヨラナ粒子の模式図。左は物質中のミクロな格子構造、真ん中の矢印は蜂の巣格子上に配置された電子の磁気モーメント、右はそれらがマヨラナ粒子に分裂する様子を示す。

磁石に潜むマヨラナ粒子
東京大学 大学院工学系研究科

求 幸年

えられれば、キタエフ模型における量子ス

素粒子物理学において格子ゲージ理論とされている。磁石によって発展してきたテピン液体の証拠となり得るわけである。し呼ばれる枠組みで議論されてきたものの物

クノロジーが、磁石の新しい側面を見出す

かしながら、厳密解は絶対零度に限られて性版ともいえる。現実に3 次元キタエフ模のに活かされ、さらにその発見が新しいテいたため、実験観測に向けたさらなるブレー型の候補物質も見出されており、このようクノロジーへとつながっていく。古くて新しクスルーが必要とされていた。

なマヨラナ粒子が引き起こす新しい相変化

い磁石は我々を魅了してやまない研究対象の実験的な検出が待たれる。

である。

そこで我々は、マヨラナ粒子の実験的な検出に資する理論を構築する目的で、新スピンが分裂して現れるマヨラナ粒子にしい数値計算アルゴリズムを開発し、スーは、その強い量子的な絡み合い（エンタンパーコンピュータによる数値シミュレーショ

グルメント）を量子計算に利用できるというンを駆使することで、キタエフ模型の有限指摘がある。つまり、磁石は量子コンピュー

温度の性質を明らかにしてきた。これまで

タの実現にも活躍する可能性があるというに、比熱や磁化率といった基本的な熱力学のだ。このこともあって、最近では、量子量や、磁性研究に欠かせない非弾性中性

スピン液 体 研 究の枠を超えて、マヨラナ

子散乱や核磁気共鳴、さらにはラマン散乱

粒子の創出や制御といったことが研究の焦や熱伝導度・熱ホール伝導度といった物

点となりつつある。ここでもスーパーコン

理量の温度・磁場依存性を解明した。こピュータを用いた大規模な数値シミュレー

れらの結果と候補物質における実験結果とションが研究を切り拓く原動力として期待

参考文献＊ 最近の進展をまとめたものとして、以下の招待
レビュー論文がある。
Y. Motome and J. Nasu, J. Phys. Soc. Jpn. 89,
012002 (2020)＊ 日本語の解説としては以下のものをご参照いただきたい。
求 幸年, 那須 譲治, 固体物理 52, 199 (2017); 53,
305 (2018); 54, 217 (2019); 57, 297 (2020)
求 幸年, パリティ 30, 10月号 p36 (2015); 31, 1
月号 p22 (2016)
求 幸年, 日本物理学会誌 72, 852 (2017)の間に良い一致が見られることから、マヨ
ラナ粒子の存在証明に迫る成果を得ている（図 2）。とりわけ、ごく最近行われた熱ホール伝導度の実験では、半整数量子化という理論予測に一致する振る舞いが観測され、マヨラナ粒子の直接的な証拠として大きな注目を集めている。
さらに我々は、キタエフ模 型の3 次 元
拡張版に対しても大規模な数値シミュレー
ションを行い、これまでの常識を破る新しい相変化を見出すことにも成功した。ここでは、絶対零度で実現する量子スピン液体から、ある温度を境に「気体」に対応する常磁性状態へと転じることを数値的に明らかにした。さらに、この相変化が、マヨラナ
粒子の大局的な性質の急激な変化によって

図2

キタエフ模型で実現する量子スピン液体の候補物質α-RuCl3 に対する非弾性中性子散乱実験の結果（上）と、キタエフ模型に対する量子モンテカルロ法による理論計算の結果（下）の比較。広い温度・エネルギー範囲にわたって実験と理論が良い一致を示しており、マヨラナ粒子が現れていることの証拠の一つと考えられている。S.-H. Do et al ., Nat.
Phys. 13, 1079 (2017)より転載。

引き起こされることを突き止めた。これは、

14

by molecular simulations

Fracture process of polymeric materials
15

part 2

研究ハイライトⅲ

身の周りの物が壊れてしまい困ったこと

性高分子のポリエチレンの構造に関して紹が誰しもあるのではないだろうか。例えば、介する（図 1）。結晶性と言っても完全な結プラスチック製の買い物袋が破れてしまい、

晶になることは難しく、高分子鎖は途中で悲しい思いをしたことがある人は多いのでは

折りたたまれる。結晶性の高い層と、低いないだろうか。工業製品の部品が壊れてしアモルファス層に分離してラメラ構造をつまうと、重大な事故につながってしまうことくる。ラメラが束になって、球晶構造になもあるだろう。このため、製品が壊れない

り、球晶が集まってマクロなスケールへとように性質を改善することは、安全性や省つながっていく。このように階層構造とな資源の観点から重要な課題である。改良のることが知られている。注目するスケール

ために様々な研究が行われているが、「何によって特徴的な構造や物性が異なり、ス

故、どのように壊れるのか」が分かれば、材

ケール間相互作用も考慮する必要があるこ

料開発のヒントになるのではないだろうか。

とから、現象解明は非常に難しい。まずは、とくに、破壊の起点となる、分子レベルの基礎となるラメラ構造に着目していく。

小さなスケールの現象を解明したいが、実四層で構成されるラメラ構造を立方体で験だけではなかなか難しい。そこで活用す用意することを考えよう。一層がおおよそるのがシミュレーションである。今回は上述

10 ー 15nmくらいであるから、一辺が40 ーのプラスチック製の買い物袋などの、高分60nmとなりシミュレーションで扱うには少子材料の破壊に焦点を当てて紹介する。

しサイズが大きい。原子を全て扱うと計算分子が長くつながってできているのが高時間が膨大になることから、粗視化モデルを分子である。長い紐、毛糸、鎖などがイ使用する。粗視化とは特徴的な構成単位をメージに近く、実際に一本の高分子は高一つの球で表し、文字通り計算モデルを粗く分子鎖と呼ばれている。高分子が多数集ましていく方法である。今回はポリエチレンのり集合体を形成して、ゴムやプラスチック

モノマー CH2 を一つの球で表し、球をバネになる。CH2 がつながってできている結晶でつないで一本の長い紐になるようにした。

図1

結晶性高分子の階層構造。

分子シミュレーションで迫る
高分子材料の破壊プロセス
東京大学 物性研究所

樋口 祐次

粗視化すると原子の情報は失われていくが、にはアモルファス層に局在化していた高分の有効性を示すことができた。

高分子に重要な鎖長を稼げるため、高分子

子鎖の末端が、空孔生成の直前に結晶層へ空孔が生成して成長するプロセスを観察

らしさを捉えることができるモデルである。

と抜けていくことが分かった。高分子鎖末するには、空孔のサイズよりも十分に大き分子スケールにおいてラメラ構造はどのよ

端が抜けることで、アモルファス層に空間がい計算サイズが必要である。このため、今うに壊れていくだろうか。ラメラ構造を伸長でき、空孔の生成へとつながることが分かっ回紹介したプロセスを解明するには、スーしていくと、アモルファス層から空孔が生成た。この結果を確かめるために、高分子鎖

パーコンピュータを使用した大規模計算がし、成長していく様子が観察された（図 2）。

末端が局在化した構造を作成した（図 3）。

必須である。今回測定した空孔の最大サイ

空孔の周りの高分子鎖は配向して繊維化し破壊プロセスを見ると、高分子鎖末端が局ズは約 58,500nm3 となり、実験で観測でていく様子も見られた。結晶層は堅く、形在化した個所から選択的に空孔が生成し、きる空孔のサイズはおおよそ64,000nm3状を保つものの、最終的には壊れ、断片

高分子鎖末端がほとんど存在しないアモルである。実験結果と直接比較することが可化していった。空孔の形を詳しく調べると、ファス層では空孔が生成しなかった。高分

能な領域が近づいてきている。実験では破伸長と垂直方向に成長した後に伸長方向

子鎖末端が均等にアモルファス層に存在し壊現象を直接見ることができない。シミュへ大きく成長していくことが分かった。このた破壊プロセス（図 2）と比較すると、そのレーションでは目で見ることができ、これは時の応力や、配向性の変化は実験結果と違いは明らかである。さらに、ひずみに対大きな利点である。現象の直感的な理解を定性的に一致しており、シミュレーション

する応力が低下したことから、高分子鎖末

助け、新しいアイディアを促す効果は大き結果の妥当性を確かめることができた。電端が局在化することは、欠陥となることが分い。実験研究者との共同研究を実施する際

子顕微鏡像など、実験で観測されている実

かった。これら分子スケールの空孔の生成にも、大規模計算による結果は説得力が大験結果も良く表すことができた。

原因や、その成長過程は、実験からだけできい。スーパーコンピュータを用いた研究は解明することが難しく、シミュレーション

が材料開発の一助になれば幸いである。

次に、空孔の生成原因を調べた。伸長前

図21500 万粒子で構成されたラメラ構造の破壊プロセス。（上段）断面図。青色は結晶層、緑色はアモルファス層を示す。（下段）空孔生成・成長プロセス。対象全体を黄色の直方体で、生成した空孔を青色で表した。

図3

末端が局在化したラメラ構造の破壊プロセス。400 万粒子で構成されたモデル。高分子鎖末端が局在化した個所から選択的に空孔が生成・成長した。高分子鎖末端がほとんど存在しない個所は、ほとんど変形せず、空孔の生成も観察されなかった。

16

物性研究所計算物質科学研究センター

これまでの 活 動 と今後の 展 望
計算物質科学研究センター センター長（東京大学物性研究所 教授）

尾崎 泰助

2012 年に開始した文部科学省の「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（HPCI）戦略プログラム」「富岳」を用いた革新的な成果創出を目指し、研究活動を行っています。

では、当時世界最速のスーパーコンピュータ「京（けい）」以上のこれまでの活動を踏まえ、今後もスーパーコンピューの戦略的利用と計算科学の振興を図るため、5 つの分野

タの利活用と分野間の連携を積極的に進め、計算物質科

で戦略機関（H23-27）が選定されました。そのうち分野 2

学のさらなる発展を目指し、本センターでは研究開発、人材「新物質・エネルギー創成」では、物性研究所（物性科育成、分野振興、産学連携を柱として活動を進めていく所

学分野）を代表機関として、自然科学研究機構分子科学

存です。以下、各項目別に今後の活動をご紹介いたします。

研究所（分子科学分野）、東北大学金属材料研究所（材料科学分野）の3 研究所が戦略機関となり、産官学連携

1 最先端のスーパーコンピュータを利用した研究開発

担当の2 独法、教育担当の9 大学を協力機関に加えた全1.1「富岳」
成果創出加速プログラム

国的なネットワーク型組織「計算物質科学イニシアティブ」

理化学研究所が開発を進めるスーパーコンピュータ「富岳」（Computational Materials Science Initiative、 以 下は2021 年度に一般稼働が予定されている。本センターにおCMSI）として活動してきました。

いてはスーパーコンピュータ「京」で培われた量子論に基づく物 性 研 究 所 計 算 物 質 科 学 研 究センター（CCMS；

シミュレーション手法や新しいマルチスケールシミュレーショ

Center of Computational Materials Science）は、分子ン手法をさらに発展させ、現代社会に不可欠な先端電子デ科学研究所計算分子科学研究拠点（TCCI；Theoretical

バイスや高機能物質・材料の究極的洗練化、新しい物理原

and Computational Chemistry Initiative）および金属材

理に基づく機能創出、将来のイノベーションの源泉となる学料研究所計算材料科学研究拠点（CMRI；Computational

理の追及を通じて、我が国の次世代産業・社会基盤の構築

Materials Research Initiative）と連携し、CMSI の活動、に寄与することを目的とした研究課題を提案し、産官学が一すなわち「京」の戦略的利用と計算科学の振興を推進する体となった研究チームを構成し、プロジェクトを推進する。

ため、2011 年 4月に設立されました。
2016 年度からは2021 年度からの本格稼働が予定され

17

1.2 元素戦略プロジェクトているポスト「京」コンピュータ（後にスーパーコンピュータ

文部科学省「元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞」は「富岳」と命名）を用いた早期の成果創出を念頭に、ポス

10 ヵ年事業として2012 年 4月にスタートした国家プロジェ

ト「京」プロジェクト重点課題（７）が選定され、本センタークトである。持続可能な社会の構築のために解決すべき資CCMS が代表機関としてプロジェクトの牽引に務めました。

源・エネルギー・環境問題に、元素戦略を共通概念とする

本課題では「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性

物質科学・物性科学の観点から取り組み、既存の延長線上

能材料の創成」をプロジェクトの表題として、実デバイス材にない物質・材料の革新的機能の創出を目指している。本料のシミュレーションを可能とするシミュレーション手法・ソフ

センターは本プロジェクト開始時より「磁性材料研究拠点」とトウエアの開発を先導しました。2020 年度からはスーパー「構造材料研究拠点」の研究に参画し、理論・シミュレーショ

コンピュータ「富岳」成果創出加速プログラム（R2-4）が始ンの立場から分担研究を担い、元素戦略プロジェクトの推進

まり、領域③「次世代二次電池・燃料電池開発によるETに重要な貢献を果たしてきた。今後もスーパーコンピュータ

革命に向けた計算・データ材料科学研究」と領域③「大規「富岳」や共同利用スーパーコンピュータを十二分に活用し、模計算とデータ駆動手法による高性能永久磁石の開発」

実験グループとの連携をさらに強めながら、新物質の探索やの課題にCCMSのメンバーが参画し、スーパーコンピュータ

材料の革新的機能の創出を目指して、研究を推進していく。

part 3

2 人材育成活動

計算物質科学研究センター

5月に設立した。本協議会は、物質科学分野向けのスーパー

2.1 計算物質科学人材育成コンソーシアム（PCoMS）

コンピュータ共同利用・共同研究拠点である、東北大学、計算物質科学の高い専門性を持った若手人材を育成する

東京大学、自然科学研究機構と、教育拠点である大阪大ために、4つの機関（東北大学、東京大学、自然科学研究学を運営機関とし、個人の研究者、シミュレーション技術

機構分子科学研究所、大阪大学）が連携し、計算物質科を開発する国家プロジェクト、国家プロジェクトで開発され学人材育成コンソーシアム（Professional development

たソフトウエアの利用を支援する機関、シミュレーション技

Consortium for Computational Materials Scientists:

術を活用し学界や社会への貢献に導く企業や研究機関に所

PCoMS）が 2015 年 8月に設立された。本事業では「計算属する方々などで構成する予定である。将来の研究開発の物質科学」に関心を持つ大学院生、博士研究員が、既存の方向性についての意見集約と国や関係諸機関への提言を行

専攻や実験・理論の枠組みを超え、自身の専門分野を活かい、日本における計算物質科学関係者の連携を促進する。

しながら企業における研究開発の現場を体験する研究イン
ターンシップを促進してきた。これまでに理学系研究科、工3.2 MateriApps

学系研究科、新領域創成科学研究科に在籍する博士後期

MateriApps は物質科学シミュレーションにおけるソフトウ

課程学生 36 名がイノベーション創出（IPD）人材として登録

エアの情報を集約するポータルサイトであり、2013 年よりされ、うち、インターンシップ参加義務のあるフェロー 28

本センターが中心となって開発・運営を行っている。現在で名が、2015 年度～ 2019 年度の5 年間で累計 29 件の研は270以上の物質科学シミュレーションのソフトウエア、デー

究インターンシップを実施した。今後も計算物質科学の高タベース及びユーティリティなどが分かりやすく紹介されてい専門性を持った若手人材を育成し、そのキャリアパスを支いる。2019年度では、月間でおよそ1万7千のページビュー

援するために、企業とも協力体制を構築しながら本コンソー（4500ユニーク ユーザー）があり、その内、海外からの利シアム事業を継続・発展させていく。

用は2割程度である。ポータルサイトを運用するだけでなく、
コミュニティに有用なソフトウエアに関しては定期的に講習3 分野振興活動会を開催しており、MateriApps ポータルサイトでその講習

3.1 計算物質科学協議会

会の情報も広く周知している。またMateriAppsLIVE!とい我が国の最先端の計算物質科学技術を振興し、高いレベル

う環境を提供し、シミュレーションの普及活動を行っている。

での成果創出と、シミュレーション技術と材料情報科学技術

今後もMateriApps の活動を継続し、物質科学シミュレーの社会実装を速やかに実現するため、計算物質科学に関わションの普及・振興を図り、さらに方法論・ソフトウエア開る全ての方々に開かれた、計算物質科学協議会を2020 年

発者と利用者を橋渡ししていく活動を進める。

18

物性研究所計算物質科学研究センター

ー 物質科学シミュレーションのポータルサイト ー
今日ではコンピュータを用いた数値計算は、物質科学

MateriApps（マテリアップス）を通じて、国内外で開発さの理論研究において必要不可欠なものとなっています。

れた277の物質科学アプリの情報を発信しています（2020

計算物質科学を推し進めていくためには、計算機の演算

年 9月時点）。物質科学アプリにはさまざまなものがありま

性能の進化だけでは十分ではありません。物質科学の方

すが、MateriAppsではそれらを「電子状態計算（固体程式を効率的に解くための手法、すなわち「アルゴリズム」

物理/ 量子化学分野）」「分子動力学」「可視化・モデリンの発展もまた重要な役割を果たしています。計算物質科

グ」「強相関系・有効模型計算」「データ解析・補助ツー

学の研究現場では日々新しい手法が提案され、さまざまな

ル」「機械学習」などに大きく分類し、整理しています。さらソフトウェアが開発されています。物性研究所スーパーコに利用者の「やりたいこと」から効率的に検索が行えるよう、

ンピュータ（物性研スパコン）の全国共同利用やスーパー計算手法、対象となる物質、興味のある現象・物理量なコンピュータ「富岳」プロジェクト等を通じたソフトウェア開発

どの視点から多次元的に整理されています。各アプリのも活発に行われています。効率的なアルゴリズム、優れたページでは、ドキュメント充実度や公開度、開発者・ライ

並列性能、最先端の機能など、これまでにない優れたア

センスなどが掲載されており、アプリを選択する際に有益プリも数多く生まれています。しかしながら、実験家・企

な情報がまとめられています。アプリの魅力、将来性、応業研究者を含めた幅広いユーザにその存在を伝える場が用性について開発者自身の生の声を聞くこともできます。

ほとんどありませんでした。
我々は、 物 質 科 学シミュレーションのポータルサイト

MateriApps では、利 用者が気 軽に物 質 科 学アプリ
を試すことができるよう、「レビュー」「アプリコンシェルジュ」

物質科学シミュレーションのポータルサイト MateriApps https://ma.issp.u-tokyo.ac.jp

コンピュータの階層構造とMateriApps

19

part 3

計算物質科学研究センター「キーワード解説」などの記事も掲載されています。各アプ

MateriApps LIVE!には、OS（Debian GNU/Linux）、各

リの「レビュー」では、具体的な例に対してアプリを実行す

種計算アプリ、エディタ、可視化ツールなどが仮想化ソフトる方法が掲載されており、どのような手順で計算を行うか、VirtualBoxの仮想ハードディスクイメージ（OVA）
としてまとどのような入力ファイルを用意すればいいのか、などの概

められており、Windows・macOSなどの主 要なOS 上で略を知ることができます。「アプリコンシェルジュ」では、ア

簡単に物質科学計算を行うことができます。MateriApps

プリに関するよくある質問への回答や計算目的に応じたア

LIVE!を用いることで、ソフトウェア講習会や授業などで参加

プリの選び方などの情報がまとめられています。「キーワー者がアプリの演習を短時間で行うことができるようになります。

ド解説」では、計算科学アプリで用いられている計算手

さらに実用向けの計算やその解析・可視化を行うには、法・アルゴリズムについての用語が解説されており、関連

物性研スパコンなどの国内の主要なスーパーコンピュータ

するアプリも紹介されています。サイト全体で毎月のページ

から各研究室のクラスタ計算機、個人のPCまで、幅広いビュー数がおよそ25,000あり、多くの利用者に閲覧されて計算機環境において計算物質科学アプリをインストールすいることがわかります（2020 年 7月時点）。

る必要があります。我々はこれらの多種多様な計算機へ

利用者が物質科学の公開アプリを使い始めようとするのアプリのインストール作業を補助するために、シェルスク

際の大きな障害は、ソフトウェアのインストール作業です。

リプト集であるMateriApps Installer の開発・公開も行っ

我々はこのインストール作業の困難を軽減するために、手ています。MateriApps Installerを用いることで、手持持ちのノートPC で気軽に物質科学アプリの実行環境がちの計算機環境に物質科学アプリを手軽にインストールで構 築 で き る MateriApps LIVE!（https://cmsi.github.

きます。また、物性研スパコンにおいて、主要アプリのプ

io/MateriAppsLive/）の開 発・ 公 開も行 って います。

レインストールにも利用されています。

MateriApps LIVE! による計算物質科学シミュレーションと結果の可視化の例
https://cmsi.github.io/MateriAppsLive/
MateriApps に掲載されているアプリ情報の例

東京大学 物性研究所
スーパーコンピュータ全国共同利用

スーパーコンピュータによる計算物性研究の革新と未来
2021 年 3 月

発行

東京大学 物性研究所

物質設計評価施設/ 計算物質科学研究センター / スーパーコンピュータ共同利用委員会〒277− 8581 千葉県 柏市 柏の葉 5− 1− 5
TEL : 04− 7136− 3207 URL : https://mdcl.issp.u-tokyo.ac.jp/scc/

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The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo

東京大学 物性研究所

物質設計評価施設/ 計算物質科学研究センター / スーパーコンピュータ共同利用委員会〒277-8581 千葉県 柏市 柏の葉 5 -1- 5

TEL：04 - 7136 - 3207