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

スパコンが切り拓く
物性物理の最先端東京大学 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

Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

東京大学

物性研究所

物質設計評価施設／スーパーコンピュータ共同利用委員会

ご 挨 拶

スパコンが切り拓く
物性物理 の 最先端
物性研究所では1995年よりスーパーコンピュータのできる場合もありますが、大学や諸研究機関の研究

全国共同利用を行ってきております。
この共同利用は、費がプロジェクト資金的なものにシフトしている状況で■ ■ 公正な運用

は、長期にわたって頼りにできる計算資源を物性物■ ■ 高いアベイラビリティ

理コミュニティーとして確保していることは、大きな意■ ■ 安定的な計算環境の提供

義があるのではないでしょうか。

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４度行い、現在は 2015年度

物性研スパコン共同利用の最大の特色である公に運用を開始した5世代目にあたります。また、2010

正な運用は、専門家による無報酬のピアレビューに年度から物性研を代表機関として計算物質科学イニ

よって支えられています。申請は申請書に書かれた

シアティブCMSIがスパコン京の戦略プログラム分野 2

研究目的と研究計画に照らして公平に審査されます。

の実施機関として発足し、その活動を支える物性研

審査員の大部分は物性研外の専門家で占められて内の組織として、計算科学センターが 2011年度からいます。審査結果に基づいて申請の採否を決定す

設置されました。CMSIは2015年度で終了しますが、る我々スーパーコンピュータ共同利用委員会も約半

今後、計算科学センターはポスト京の研究課題を支

数は物性研外の委員により構成されています。

援していきます。また、スパコン共同利用においても物性研スパコン共同利用は国内の研究機関の研ユーザの利用を支援するため、ソフトウェアの開発、究員による物性研究を目的とする計画であれば、ど高度化プロジェクトを2015年度に開始しました。これ

なたでも利用申請を行うことができます。申請の機会

らの活動を通して計算物質科学の研究の発展に貢は年 2回（ 6月と12月）の定期的なＢ・Ｃ・Ｅ・Ｓクラス申献していく所存です。

請のほか、特に緊急度の高い大規模計算について

この度、物性研スパコンとその運用状況、計算

はＤクラスとして、小規模な試用計算についてはAク

科学センターをご紹介すると共に、物性研スパコン

ラスとして、随時申請を受け付けています。実際のを利用してそれぞれの分野に大きなインパクトをもた採択率も非常に高い率を維持していますが、特にスらす研究成果をあげられた方々にお願いして、物性

パコンでなければ実行できない大規模計算を推進す

研スパコン共同利用に関するこの小冊子を作りましるために、審査員による評価に基づいて充足率にはた。従来のユーザや将来ユーザになる可能性のあ差をつけています。

る皆様に物性研スパコン全国共同利用の来歴・概安定的な計算環境の提供は近年特に重要性が要・展望をより知っていただく一助となれば幸いです。

増してきているようです。昨今研究室によってはＰＣクラスタなどで昔では考えられないほどの計算を実行

2016年 2月

part 1

新スーパーコンピュータの導入

1 新システム導入のねらい

演算加速装置GPGPU 搭載・SGI ICE XA/UV

2

システムB,C の性能諸元GPGPU 移植支援サービス

物性研究所スーパーコンピュータの歴史
3 計算機性能と計算物性分野の変遷

5 スパコン運用実績データ

分野別課題採択数の推移／スパコン運用実績

part 2

研究ハイライト

7 i. 強力永久磁石の量子シミュレーション
産業技術総合研究所

三宅 隆

9 ii.シミュレーションで迫る強相関電子系の中の新たな粒子
東京大学 大学院工学系研究科

山地 洋平

11 iii. 多重気泡生成現象の全粒子シミュレーション
東京大学 物性研究所

part 3渡辺 宙志

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
13 計算物質科学研究センターセンター長 常行 真司

14 MateriApps の紹介

物質科学シミュレーションのポータルをめざして

part 4

物性研スパコンの活動

15 ソフトウェア開発・高度化プロジェクト

16 物性研スパコンと主な計算物理新システム導入のねらい
演算加速装置GPGPU 搭載・SGI ICE XA/UV

物性研究所スーパーコンピュータセンター第五期の計するような研究が行われ、他方で独自の理論をサポートす算機システムとして、SGI ICE XA/UVが 2015年の 7月にるのに必要な数値計算が行われている。また、既存のパッ

新たに導入された。総理論演算性能は一桁増強されてケージを用いて実験結果の解析やデータベースを作成する

2.6PFLOPSとなり、これにより本センターにおいてもペタ・フ

ような研究も行われている。この状況下では、利用者からロップス計算の時代が到来した。本システムはスカラー型の寄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演算器で構成されており、1995年に本研究所に初めてスー入することは不可能である。しかしながら、利用者アンケー

パーコンピュータが導入されて以来初めて、ベクトル型ある

ト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いは疑似ベクトル型の演算器が姿を消した。これに替わっる。重要な鍵は、①超大型計算を可能にする先端的な機能、て導入されたのは演算加速装置GPGPUであり、システムの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、一部に搭載されて稼働している。ベクトルから加速装置へ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、の潮流は、計算機科学的には決して目新しいものではない

加速装置のために自作プログラムを改変する労力を厭わなが、計算機のエンドユーザとしての物性研究者にもこの流

い傾向が先端的利用者に広がっており、また、いくつかのパッれが及びつつあるとの判断の下に初めて導入された。これ

ケージでは加速装置を用いた高速化が進んでいるため、加はまた、2000年に第二期のシステムが導入され、物性研ユー

速装置の導入が時宜を得ていると考えられる。②に関して

ザが並列プログラミングに取り組み始めて以来の大きな変化

は、各研究室の PCクラスタで作り上げたプログラムを最小と考えることもできる。その後 15年経過して並列プログラミンの労力で動かせるシステムの導入が必要であり、PCクラス

グ技術が普及した現在、次なる高速化技術の醸成に踏みタ環境との親和性の高いシステムの導入が望まれていると出すこととなる。

考えられる。③に関しては、できるだけ総理論演算性能をそもそも、本センターでは500人規模の全国のアカデミック

高めることが必要であり、多くの CPUを用いたシステム構成

利用者を抱えており、利用者の過半数が自作プログラムをが望まれていると考えられる。本システムはこれらの要求を用いて計算を行っているのが特色である。一方で先鋭的な最大限に満たせるように設計されており、物性研究のレベル

自作プログラムを長期間かけて開発して計算の限界に挑戦

アップに大きく貢献するものと期待することができる。

Introduction of
New Supercomputing System
1part 1

新スーパーコンピュータの導入

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 2016 年現在、システム B、システム C 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互いに比較しながら概観してみる。
物性研究所では、汎用的でありながら国内有数の総理論定されており、本システムがトータルの演算性能、エネルギー消費

演算性能を有するシステムB（SGI ICE XA/UV）、国内フラッ効率の双方において優れたシステムであることが分かる。CPUノー

グシップスパコンである京コンピュータと高い互換性を有するシドとACCノードはセルと呼ばれる密閉構造の中に配置されており、ステムC（ FUJITSU PRIMEHPC FX10）の2つのスーパーセルの中で発生した熱のほぼ全てが、エネルギー効率の高い水コンピュータシステムを共同利用に供している。

冷システムによって冷却されている。通常運用時では、ユーザは2015年 7月に稼働を開始したシステムBは、多数の汎用的な計算ノード間を高速なネットワークで接続した高並列スーパーコン
ピュータである。多様なニーズに応えるため、標準的な構成のCPUノード、演算加速装置としてGPGPUを搭載したACCノード、そして大容量メモリを搭載したFATノードから構成されており、合1つの計算ジョブでCPUノードを最大144ノード（約140 TFLOPS）、
あるいはACCノードを最大 72ノード（約 270 TFLOPS）まで占有して計算を実行できる（ 2015年 7月現在）。これは、2015年 3月まで稼働していた旧システムB全体の理論演算性能（約180 TFLOPS）と同程度であり、演算性能や利用技術の進歩の速さが窺える。

計で2.6 PFLOPSの総理論演算性能を有する。これは、利用分

一方、2013年4月に稼働を開始したシステムCは、京コンピュー野が特定されたスパコンとしては世界でも最大級の規模であり、タで実行する大規模並列プログラムのチューニングなどを行う

2015年 6月の世界スーパーコンピュータランキングTOP500におい場としての役割を果たしている。特徴としては、高いメモリバンてCPUノード部は54位（国内6位）、ACCノード部は88位（国内12

ド幅／演算性能比、省電力性能、高いスケーラビリティなどが位）にランクインしている。同時に、電力あたりの性能ランキングであげられる。システムBと同様、水冷システムによって高効率なあるGreen500ではACCノード部が 15位、CPUノードが 72位に認冷却を行っている。

2

物性研究所スーパーコンピュータの歴史
計算機性能と計算物性分野の変遷
第一期（ 1995-2000）：物理学における

1995年に導入されたのは FUJITSU

接続したクラスタ計算機が飛躍的に高計算機利用が急速に拡大したのは、大VPP500/40である。これは航空技術研

速化を遂げる時期が訪れた。デスクトッ型計算機の演算性能が飛躍的に向上

究所と富士通が共同開発したベクトルパ

プスーパーコンピュータという言葉が生した1980年代であろう。ベクトル演算器

ラレル型と呼ばれる新方式のスーパーコ

まれ、先進的な研究者がそれぞれのグが導入されると「スーパー」なコンピュー

ンピュータであり、砒素化ガリウムLSIな

ループ単位でその利用を始めた。そのタ性能に皆、驚愕を覚えた。その頃かどを採用することなどにより世界最高速

ため第二期のシステム（ 2000〜）を導入

ら計算機は研究に不可欠な手段としてを誇った計算機である。この計算機資する際、ベクトルパラレル型の計算機（シ重視されるに至った。それだけに留まら源をできるだけ多くの物性研究者に配分

ステムA）だけでは利用者の要求を満たず、計算物理という分野が実験物理とし、しかも緊急性や重要度の高い研究すことができないと判断され、スカラーパ

理論物理から独立した新しいカテゴリー

課題は重点化するといった基本方針を

ラレル型の計算機（システムB）も加えたを形成して自律的な発展を遂げていく。

定めて全国共同利用が始まり、それが複合システムを導入することとなった。シ

それに伴って、様々な研究拠点におけ今日も継承されている。

ステムAとして導入されたのは日立製のるスーパーコンピュータセンターの整備

第一期から超大規模計算が積極的に

SR8000/60 model F1で、これはベクトが進み、研究者に計算機資源が手厚く行われ、例えば常行真司氏らは第一原

ル機として位置づけられるものの、ソフト提供されていくこととなった。我が国の理経路積分法とよばれる方法で結晶珪素

ウェア等で疑似的にベクトル演算を達成

計算物性科学においては、海外や他中の水素不純物状態を調べる等、専用させたものであり、CPU技術的にはスカ分野の動きに比べて計算機センターののスーパーコンピュータでなければなかな

ラー計算機と考えることができる。すな

整備に遅れを取り、1980年代後半になか着手できない規模の大型計算を実施しわち計算機のスカラー化は、既にこの時

ると、計算科学としての分野形成の立た。また独自の計算手法の開発が積極に行われたと言える。システムAは第一

ち遅れが顕著化してきた。この事態に的に進められ、福島孝治氏らの交換モン期に比べて計算ノード数が 40から60に危機感を感じた当時の研究者は、「物テカルロ法などが成果として生まれた。

増加した結果、より多数の計算を同時性研究のための大型計算機センター設に実行することが可能になりユーザ層の置ワークショップ」（1987年）を開き、日本

第二期（ 2000-2005）：第一期システム拡大に寄与した。システムBとしてはSGI

学術会議の物理学研究連絡委員会としの導入以降、５年毎にシステムが最新の製のOrigin 2800/384が導入された。こてスーパーコンピュータ導入に向けた活ものに更新されている。さて、初期スーのスカラーパラレル機は384CPUから成る

動を行う（ 1991年）などの様々な努力をパーコンピュータ導入後に顕著に起こっものであり、これを用いた大規模計算が重ね、遂に1995年 4月から物性研究所

たのは計算機のダウンサイジングであ

導入当初から積極的に行われた。例えにセンターが発足することとなった。

る。比較的安価なPC等をネットワークでば 2000年度には、藤堂眞治氏のモンテ
カルロ計算や大槻東巳氏らのスケーリン
グ計算などの大規模計算が行われた。
：2000年頃はCPU第三期（ 2005-2010）
動作周波数の著しい向上が見られた時期であり、その結果特に苦労して並列

History of
ISSP Supercomputers

3

プログラミングをしなくても容易に高速化が達成される状況であった。しかもCPUの単価が急激に下がったため、手持ちのPCクラスタだけでもある程度の大型計算を行うことが可能になった。その結果、

part 1

センターの計算機の演算性能が相対的に集約していく布石となった。

新スーパーコンピュータの導入はかなりのものであり、システムBは使ってに低下し（すなわち陳腐化し）、利用者

第三期は地球シミュレータ活用や京コもなかなかポイントが減らないと評された。

離れの兆候が見られるに至った。そこ

ンピュータ利用準備などが盛んに行わ

この第四期のシステムの導入当初から大で第三期（2005〜）のシステムBとしては、れた時期でもある。これらの国策スパコ

規模計算が盛んに行われた。例えば、研究室の PCクラスタで開発した計算プンの導入により並列プログラミング技法

中野博生氏はシステムBの過半数のCPU

ログラムをそのまま物性研の計算機センの普及が進み、大規模計算を指向すを用いた厳密対角化の計算を行った。まターで利用できるような計算機環境を提る研究者が急増した。それを象徴する

た、京コンピュータの練習機としてシステ供することが望ましいとの意見が多数寄のは例えば、押山淳氏らの次世代スー

ムBが利用され、1000CPUを超えるようせられた。しかも計算機の陳腐化を防パーコンピュータ用の大規模第一原理

な大規模計算が頻繁に行われた。

ぐためにできるだけ多数の CPUから構計算プログラムRSDFTの開発や、大2011年 3月11日の東日本大震災に伴成される計算機を調達することが必要と

谷実氏らの物性研スーパーコンピュータ

う原発事故をきっかけとして電力事情がなった。そうすると問題になるのは設置や地球シミュレータを用いた反応動力学

ひっ迫すると、しばらくの間計算機を停場所と冷却能力であり、その確保およびの大規模応用計算などであろう。

止せざるを得なくなり、対抗策として西日付帯設備工事が困難になる。そこで共本への計算機システムの移設が真剣に同利用計算機としては初めての試みとし：第三期頃から、第四期（ 2010-2015）

議論された。結局移設は行われなかって、データセンターに設置してリモートア

徐々にCPUの発熱や電気使用量が増加たが、学内の節電の要請に応えて最大クセスする方法を取ることとなった。

し、PCクラスタの設置や維持のための半数のノードを停止させて縮退運転が一方、この手のスカラーパラレル機はコストが表面化した。そのため、手持ち行われるようになった。その後節電の要
請は無くなったが電気料が大幅に値上

一般に、CPUの演算性能に対してデーのPCクラスタで計算するよりもセンター利タ転送性能が低く、第一原理計算のよ用を指向する研究者が増加した。実際、げされ、次期以降の計算機調達のため

うな通信が多く発生する問題には不向徐々にセンター利用者が増加し計算機に取り置いてきた予算を崩して電気使用きであった。したがってまだベクトルパラ

利用率も高水準を記録し、利用者離れ料を支払いながらの運用となった。

レル機への需要は高かった。そのための傾向はもはや過去のこととなった。今2013年 4月からは京コンピュータの第三期においてもシステムA,Bの二種類

回は総使用電力量が増え過ぎて受け入練習機として FUJITSU PRIMEHPCのハードウエアを導入することとなった。

れるデータセンターの候補がなかなか見

FX10がシステムCとして導入された。そこの状況の下、2005年には疑似ベク

つからず、物性研に配置しなければならの一部は戦略枠としてCMSIに提供されトル機であるHitachi SR11000がシステ

なくなり、物性研計算機センターの大規計算機資源配分が任され、残りが共同

ム Aとして、Intel Itanium 2で構成され模な電源拡張工事を行って計算機調達

利用枠として利用されることとなった。

るSGI Altix 3700がシステムBとして導入に望むこととなった。同時に、冷却が空された。後者の計算機は、スカラーパラ

冷では間に合わなくなり水冷装置の導入：2015年 7月よりスカラー
第五期（ 2015-）

レル機の中でもメモリ転送にコストがかけにも踏み切った。

並列機 SGI ICE XA/UVが導入され、られた高性能機であり、バランスが取れ

第四期（ 2010〜）の計算機調達としてベクトル並列機が姿を消した。歴史的

たシステムである。システムBの性能が引は、システムBを主柱とする一方、必要な経緯から本システムはシステムBとよばき上げられたことは大きな意味があった。

最小限の規模のシステムAを導入して高れ、その結果システムB,Cによるサービス

これまでシステムAのみ利用してきた研速メモリ転送を必要とする特殊用途に体制が誕生した。システムBの一部には

究者（特に第一原理計算）がシステムBも供することとした。導入されたのはNEC

演算加速装置GPGPUが搭載され、プロうまく使いこなせるようになり、両システム

SX-9（システムA）およびSGI Altix ICE

グラムのさらなる高速化が可能になった。

を併用して計算する人が増加したので8400EX（システムB）である。導入当初

このシステムが更なる計算物性の発展ある。これは、計算機がシステムB一本は170TFLOPS というトータルのスペックにつながるものと期待される。

4

スパコン運用実績データ

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ー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

算資源への要望の高まりに応える形で、1995年に物性研初代と共にActivity Reportとしてまとめられ、毎年発行されている。

スーパーコンピュータ、FUJITSU VPP500/40を導入、運用

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あを開始した。当初から物性研究コミュニティーに公正かつ効率る。関連論文は毎年 500編前後出版されており、物性研スパコ

的に計算資源を配分するため、計算時間の上限を3種類設定

ンが物性研究の発展に大きな貢献をしていることがわかる。

し小さい方から順にクラスA, B, Cを設けた。また、計算物理

今後も物性研は計算資源を安定的に、かつ使いやすい形でによる物性研究分野において特に重要な課題で、かつ大規模物性コミュニティーに提供するために努力を続けていく。ユーザ計算を伴うものを重点的に支援するための特別クラスとして、Sの皆様は是非有効に活用し、すばらしい成果を挙げてほしい。

クラスが設けてある。これらの課題は年に二回（前期、後期）に申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る課題はDクラスとして随時申請を受け付けている。2012年

分野別課題採択数の推移

度からは、より大規模な計算をしたいという需要に答えるために、Cクラスを超える定期採択の大型クラスとしてEクラスを設けている。スパコン運用開始当初はクラスA, Bの比較的小規
模な課題申請が多かったが、システムが更新される度にクラスC,
Eの割合が増え続けている。ここから物性コミュニティーのユー
ザが、より大規模な計算を志向していることが窺える。
プロジェクト採択数は年々増加しており、2014年度には200件を超えるプロジェクトが採用された。分野別課題採択数を見ると、各分野から満遍なく課題が採択されていることが分かる。より幅広いユーザに利用していただくため、申請時の分野として実験・データ解析を2005年度に新設した。近年は、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、第一原理計算の応用に関連した課題が増加している。
計算機の稼働率は、2000年度以降概ね 95%を超えており、
これは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。特に2011年度は、原子力発電所の停止などによる電力不足のため、2011年9月までシステムAは50%、システムBは75%に稼働率を制限して運用を行っていた。
利用率（稼働時間中に計算資源が使われた割合）は、第三期のシステムが導入された2005年から約80%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。2013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。
物性研スパコン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、及びスパコンを利用して得られた成果が5

論文として出版される際には謝辞に物性研スパコンを利用したこ※ 定期採択課題（ クラスB, C, E, S ）を集計

part 1

新スーパーコンピュータの導入

スパコン運用実績

6strong permanent magnets

Quantum simulation ofpart 2

7

研究ハイライト

強力永久磁石は、パソコン、エアコン、ⅰ

したがって、高飽和磁化、高結晶磁気異方自動車など私たちの身の回りの様々な製品

性、高キュリー温度が永久磁石化合物に求で使われている。現在の最強磁石は1982

められる条件となる。このうち、磁化を大き

年に佐川眞人が発明したネオジム磁石で、くするには、単純には3d 遷移金属元素の割

その性能（ 最大エネルギー積 ）は、1917 年

合を大きくすればよい。しかし、これだけでに本多光太郎が開発したKS 鋼の約60 倍には結晶磁気異方性が小さすぎて強力磁石にも達する。ネオジム磁石の主相は強磁性体ならない。そこで少量の希土類元素を加えのNd2Fe14Bで、希土類元素であるネオジムて結晶磁気異方性を増強する。これが希土（ Nd ）を含むために希土類磁石に分類され類磁石の基本的なアイデアである。すなわ

る。近年、ハイブリッド車や電気自動車のち、希土類磁石化合物は、遍歴的な3d 電

駆動用モータや風力発電機での使用量が急子と局在性の強い4f 電子が結合した量子多増しており、強力磁石の世界的な開発競争体系で、電子間相互作用や相対論効果のが繰り広げられている。これに拍車をかけ一種であるスピン軌道相互作用により磁石たのが、いわゆるレアアース（ 希土類 ）問題機能が発現する。さらに元素の置換や添加、である。一般に温度上昇とともに磁石機能

わずかな格子変形が磁石性能を左右する。

は低下するが、ネオジム磁石は温度特性がここにスーパーコンピュータを用いた物質の悪く、自動車の高温動作領域（200℃程度 ）量子シミュレーションが威力を発揮する。現で必要な保磁力が得られない。そこで耐熱在の第一原理電子状態計算を用いると、広性を上げるためにジスプロシウム（ Dy ）が添い物質群の構造特性、電子状態、磁気的加されている。ところが、重希土類である性質などを、実験値を用いることなく記述す

Dyは希少元素で、資源リスクを抱える。まることができる。計算手法とソフトウェアはたDy 添加で保磁力は改善する一方で、磁日々発展しており、物性の理解と予言、機石性能は低下する。そのため、Dyを用いな能解明、新物質の探索・設計などに利用さい強力磁石の開発が注目されている。

れている。

磁石の性能指数である最大エネルギー積

私たちは、Nd2Fe14Bを超える磁石化合(BH )max が大きくなる条件として、大きな飽物の開発を目指して、NdFe11TiN の第一和磁化と大きな保磁力が挙げられる（図１）。

原 理 計 算を実 行した [1]。NdFe11TiN は

保磁力は材料組織にも依存するが、物質固1991 年に報告された磁石化合物である。

有の結晶磁気異方性と強い正の相関を持

高い磁石性能を示すものの、Nd2Fe14Bよつ。飽和磁化、結晶磁気異方性ともに温りも劣るため、歴史的には半ば忘れられて度の関数で、キュリー温度（ 強磁性の性質いた。しかし、知られている鉄基希土類合が失われる温度 ）が温度特性の指標になる。

金の中で最も希土類の割合が小さく、周辺強力永久磁石の量子シミュレーション
産業技術総合研究所

三宅 隆

物質に高磁化の化合物が見つかる可能性性を測定したところ、室温からキュリー温な計算やそのための結晶構造の決定が重要が考えられた。そこでまず、チタン（ Ti ）と度に至る広い温度領域で、磁化と異方性磁である。マテリアルズ・インフォマティクス

窒素（ N ）が磁性に与える影響を詳細に調場のいずれもNd2Fe14B を超えることがわの手法を取り込むことが有効と考えられる。

べた。その結果、Tiを鉄（ Fe ）で置換する

かった。実に32 年ぶりの記録更新である。

また、希土類磁石化合物は、強い電子相と、大幅に磁化が増加することがわかった。

関のために電子状態を完全に第一原理的に非磁性のTiを磁性元素のFeに置き換えると記録更新とはいうものの、永久磁石材料

記述することが困難で、未だに計算手法の磁化が増加するのは自然に思うかもしれなとしての実用化に向けては、まだ先は長い。

開発が発展途上であることも忘れてはならい。しかし、その増加量は置換した鉄原子まず薄膜ではなくバルクの安定相を作る必ない。ここは物性物理学の領域であり、磁の磁気モーメントよりもはるかに大きく、単要がある。さらに、実用磁石材料は主相と性の定量的理解と概念の創出にむけて物性純な描像は成立しない。また結晶場理論に副相が入り混じった複雑な材料組織をもっ理論と計算物質科学に対する期待は高い。

基づいた解析の結果、Ti が磁気異方性にている。この材料組織の詳細により保磁力

このように伝統的な物理の手法と材料学の与える影響は小さいことがわかった。さらが左右される。特に主相と粒界相の界面の知見、さらに情報科学も活用して磁石研究にN により、磁化が顕著に増加するととも状態が保磁力に影響を及ぼすと考えられてが進展し、近い将来に新たな強力磁石が発に強い一軸異方性が誘起されることも示さいるが、その機構は未解明である。保磁力

明されることを期待してやまない。

れた（ 図２）。これらの結果は、NdFe12Nの改善は、これまで手探りで職人技的に行が良い磁石化合物であることを示唆する。

われてきたが、最近ではスーパーコンピュー

この計算と連携して、実験グループによりタやSPring-8、J-PARC などの最 先 端 の

参考文献

NdFe12Nx 膜が合 成された [2]。 彼らは、

大型研究設備を用いた微視的な解析が始［ 1 ］T. Miyake, K. Terakura, Y. Harashima, H.

MgO 基板の上にタングステン（ W ）の下地

まっている。今後、解明が進むと思われる。

層を積み、その上にNdFe12 膜を成長させ

一 方、Nd2Fe14B やNdFe12N をも超 えるることに成功した。これを窒化して磁気特新化合物の提案には、組成を変えた系統的

図1 磁化曲線。外部磁場を変化させると、磁化はヒステリシス曲線を描く。磁化と反対方向に外部磁場を加えた時に、ある値で磁化反転が起こる。この磁場の大きさを保磁力とよぶ。

Kino and S. Ishibashi, J. Phys. Soc. Jpn. 83,
043702 (2014).

［2］Y. Hirayama, Y.K. Takahashi, S. Hirosawa

and K. Hono, Scripta Mater. 95, 70 (2015).

図2 NdFe11TiN の結晶構造と窒化による電子密度の変化 [1]。窒化によりNdとNの間の電子密度が増加する。これを避けるようにNd の4f 電子が分布することが強い一軸磁気異方性を誘起する。

8

part 2

ⅱ

Simulating emergent particles
研究ハイライトin strongly correlated electrons
量子力学に基づいて固体中の電子の振るN 個の電子の性質は、電子の動きが止まった舞いを理解しようとする営みが、エレクトロ晶の中で、電子の運動方程式が変更を受ける

強相関絶縁体の場合でも、スピンの自由度のニクスの基礎を支えてきた。固体の中では、ことを利用してきた。例えば高速に動作するすべての組み合わせに対応する２N 個に及ぶ

1cm3 あたり1023 個程度の電子がお互いに半導体素子では、運動方程式中の質量が真非常に多数の連立方程式で記述される。

影響を及ぼし合いながら運動している。集団

空中よりも見かけ上軽くなり、電場で動かし易

平均場理論が有効な場合でもN 〜 106 個

中の二つの電子に注目すると、周囲の電子とくなることを利用している。近年注目を集めて程度、平均場理論が破綻する場合にはN 〜

固体の骨格となる陽イオンの影響を受けながいるのは、電子が示す磁石のような性質、ス

36 個程度の電子を考えるだけで、コンピューら、お互いのクーロン斥力を感じている。同

ピンと、電子の運動方向を結びつける、スピ

タのCPUに接続されたメモリに少なくとも１

じく距離の逆二乗に従う引力、重力が支配

ン軌道相互作用に注目するアプローチである。

TB（〜 1012 バイト）の情報を記憶しなけれする太陽系の惑星の運行の複雑さを思うと、もう一つのアプローチは、電子の運動エネル

ば計算を行うことはできない。ハードディス

電子集団の運動を予測することは、ほとんどギーに比べて斥力が優勢となる、強相関電子

クであれば、家庭用PCでもこの程度のデー

不可能に見える。

系と呼ばれる物質群に着目することである。強タを記憶することはできるが、メモリに記憶

ところが、低温の金属や半導体では、パウ相関電子系では、フェルミ液体論や平均場理させ高速に計算を実行しようとすると、スーリの排他律と運動量・エネルギー保存則に論による記述に限界がおとずれ絶縁化する場

パーコンピュータと呼ばれる大型の計算機がよって電子同士の衝突が強い制限を受ける合がある。電子集団の振る舞いを予測すること

どうしても必要となるのだ。1023 と比べ、ずため、クーロン斥力を無視した場合とよく似が難しくなると同時に、フェルミ液体論で記述

いぶん小さなN の話をしていると思われるかた振る舞いをする。このような振る舞いは、できる金属では起こらなかった興味深い現象がもしれないが、電子が近視眼的に振舞うこと

フェルミ液体論と呼ばれる理論として整理さ起こり始める。遷移金属の酸化物ではとくに絶から、この程度の小集団の計算でも固体結れ、電子集団の振る舞いを記述する基礎を縁体状態が実現しやすく、電子や正孔を導入

晶の性質を予測できる場合がある。

与えてきた。さらに、一つの電子がその他のすることで、銅酸化物における液体窒素温度よ電子から受ける影響は、周りの電子が及ぼりも高温での超伝導が発現している。

す相互作用を平均化した、平均場と呼ばれ強相関電子系ではさらに思いもよらぬ現象

るポテンシャルとして置き換えられ、電子集が起こることがある。例の一つが、電子の集団

団の運動は、個々の電子が平均場を感じな運動を『真空』とする新しい粒子の出現である。

がら独立に運動しているとして良く近似でき

これらの新しい現象を予測し、現象の背後る。多くの電子が強く相互作用しているにもにあるメカニズムを解明することが、理論とかかわらず、シンプルな理論によって金属や計算科学の役割となってくる。平均場理論が半導体の性質を予測できるのだ。

適用できる場合、N 電子系の振る舞いをN 個

このような従来の理解を広げていくこと、

程度の連立方程式に還元できる。工夫によっ

あるいは従来の紙と鉛筆の理論では手が届て連立方程式を10 個程度までに削減できれかないところに、現在の物性物理学のフロン

ば紙と鉛筆で解くことができるが、例えば、1ティアが広がっている。フロンティアの開拓

μmのスケールの不均一な構造を扱うにはNには、二つのアプローチがある。

を109 程度まで大きくせざるを得ない。また、

一つは、電子の運動方程式を操ることで9ある。従来の半導体科学においても、固体結平均場理論が破綻する場合、相互作用する

数値シミュレーションによるR 2Ir2O7（ R :希土類元素 ）の磁壁。赤と青の矢印は、イリジウム原子上の電子のスピンを表している。
水色の平面で示されている二色の磁性相の境
目、磁壁の上では、磁性相自体は絶縁体であるにも係わらず、２次元の金属状態が現れる。

図1

シミュレーションで迫る
強相関電子系の中の新たな粒子
東京大学 大学院工学系研究科

山地 洋平

している。計算機の中でNa2IrO3 を再現し、筆者らの研究から具体例を紹介したい。

縁体であるにもかかわらず、磁壁は２次元の2010 年代初頭から、スピン軌道相互作用が金属になることが分かってきたのである。従一体何がマヨラナ粒子の発現を妨げているの重要となる貴金属、イリジウムの酸化物にお来の半導体素子では、製造技術を駆使して２か、Na2IrO3 が理論模型からどの程度ずれて

いて、２つの新しい粒子が発現する可能性がつの半導体を張り合わせた界面に、電圧を印いるのかを理解しようとしている。結晶固体

注目を集めている。新しい粒子とは、ニュー加して電子を溜めることで２次元電子系を実の結晶構造と構成元素の原子番号から電子トリノの性質を説明するために1930 年代ごろ現している。ところが、磁壁は磁場によっての性質を予測する第一原理電子状態計算手に考案された相対論的量子力学の運動方程

生成・消滅させることができるため、エレクト

法と、２N 次元（N 〜 32）のスピン系のシミュ式の解として現れる２種類の粒子、質量を持

ロニクス基盤の一つである２次元電子系を実レーションを組み合わせることで、実験デー

つことができないワイル粒子と、粒子が同時現し制御する全く新しい可能性を与えている。

タを再現し、さらにどのような結晶構造を持に反粒子でもあるマヨラナ粒子である。いず一方、ノイズに強い量子コンピュータの量

つ物質を合成すべきかの方針を予想できるよ

れもニュートリノはもちろん、発見されたどの子ビットとして、電子スピンの集団からマヨうになってきた（ 図２を参照 ）。

素粒子にも当てはまらないのだが、イリジウ

ラナ粒子を生み出すために考案された理論

近い将来、化学式だけから出発して、化ムの酸化物の中の素励起が、これら２種類の模型が、イリジウム原子が蜂の巣格子を組合物の安定性と結晶構造、そして固体中の粒子で記述される可能性が指摘されたのだ。

む物質Na2IrO3 で実現できる可能性が注目

多体電子の振る舞いまで、計算機の中で検を集めている。

証できるようになるかもしれない。筆者を含ワイル粒子は、電子の固体結晶中での運動方程式の変更を通して現れるため、ワイ

残念ながら、Na2IrO3 そのものではマヨラむ研究者たちは、そのようなゴールへ向かっ

ル電子と呼ばれている。イリジウム原子が四ナ粒子を観測することは出来ていないが、現て、スーパーコンピュータを使いこなすため

面体を頂点でつなぎ合わせたパイロクロアと

在、研究の最前線では、Na2IrO3 から出発しの技術向上と数値計算手法の発展に、日々呼ばれる格子上に配置する酸化物R 2Ir2O7て実際にマヨラナ粒子を作り出すことを目指努力している。

（ R : 希土類元素 ）において、電子のスピンが四面体の各頂点から中心へ向かって秩序化した磁性相でワイル電子が現れることが数
値シミュレーションによって指摘されている。
しかし、ワイル電子には右巻きと左巻きの２種類が存在し、右巻きと左巻きのワイル電子の組は、あたかも粒子と反粒子のように対消滅してしまうため、固体中で安定に存在す
るには厳しい条件を満たす必要があることが観測から明らかとなってきた。
ところがR 2Ir2O7 の磁性相において、磁壁と呼ばれる２種類の磁気秩序の境目を作ると、対消滅の名残が見えることが、計算機の中で磁壁をシミュレーションすることで分かっ

図2

現実のNa2IrO3 結晶構造（ 左上 ）から、スピン自由度のみ（ 左下 ）を抽出し、電子系の温度を1℃上げ）を32 個のスピン（ N =32）にるのに要する熱量、熱容量C mag を計算した結果（ 右 ）。実験結果（
対する数値シミュレーションが40K 以下で再現している。

てきた（ 図１を参照 ）。均一な磁性相では絶10

part 2

研究ハイライト

水を加熱すると沸騰して水蒸気となる。こそこで我々は気液混相流を非経験的に

ⅲ

MPI を用いたプロセス並列と、OpenMPの蒸気の圧力を運動エネルギーに変換する

扱うべく、全粒子計算の研究を行っていを用いたスレッド並列の両方を用いるハイのが蒸気機関であり、18 世紀頃の産業革る。全粒子計算とは、系を構成する分子

ブリッド並列化が必須であり、さらにCPU

命の原動力となると共に、熱機関の原理をを全て陽に扱い、分子間相互作用のみをコアの性能を最大限活かすためにはSIMD

理解し、その効率を上げるという必要性か

仮 定し、 後は分 子 動力学 法（ Molecular（ Single Instruction Multiple Data ）とら熱力学という学問を発展させることとなっDynamics Method, MD）
で力任せに解い呼ばれるベクトル命令を十分に活用する必た。現在でも我々が利用する電気のほぼ9てしまうという方法論である。全粒子計算要があった。我々は、スレッドをプロセス

割は、何らかの熱源により水を沸騰させ、を行えば、相界面は自発的に生成、消滅し、のように扱う擬似Flat-MPI 法というアルゴ

その蒸気でタービンを回すことで作られていさらにこれまで経験的に与えるほかなかっリズムを採用することで、スレッド並列とる。にもかかわらず、加熱された水からどのた界面での輸送も考慮しなくて良い。そのSIMD の階層を分離し、十分な並列化効

ように気泡が発生し、気泡がどのように相代償として、マルチスケールな問題を扱う率と高い実行効率を両立させることができ互作用し、さらに流れにどんな影響を与えてためには、スケールをまたぐのに十分な粒た。並列コードの開発は、当時の物性研シ

いるのか、その詳細はほとんどわかっておら子数を用意する必要があり、必然的に大規ステムB（ SGI Altix ICE 8400EX ）上でず、熱機関の設計は経験的事実に頼る部分

模計算が要求される。もともと短距離力相行い、最大8192プロセスでの動作まで確が多い。これは、ボイラーやタービンの中互作用する粒子系のMD は並列計算に向い認した。さらに、京コンピュータ互換のアーで起きている現象が強い非平衡状態にあり、た手法であり、多くの並列実装がある。そキテクチャを持つシステムC（ FUJITSU

かつミクロな分子間相互作用の結果起きる

れでも1 万プロセスを超えた規模で実用的

PRIMEHPC FX10）上でチューニングをす

相転移とマクロな流動が、スケールが何桁な計算ができるコードの開発は容易ではなることで、最終的に京コンピュータフルノー

も異なりつつもお互いに強く影響を与え合かった。さらに大規模計算を行うためには、

ドでの計算の準備を行った。

う、典型的なマルチスケール・マルチフィジッ
クスな問題であることによる。このように気相と液相が共存し、お互いに相転移しつつ流れていく系を気液混相流と言う。気液混
相流を数値計算課題として見ると、相転移に伴い界面が生成、消滅することが計算を難しくする。さらに界面を通じたエネルギーや運動量といった物理量の輸送係数については経験的に与えるしかなく、シミュレー
ションの予言能力を強く制限してしまう。

図1

多重気泡生成のMDシミュレーション。減圧直後に気泡が多数生成した後、お互いの相互作用により大きい

気泡がより大きく、小さい気泡がより小さくなるオストワルド成長が起きる。可視化は理研の稲岡創氏に依る。

Direct Simulation of Mu

11

多重気泡生成現象の
全粒子シミュレーション
東京大学 物性研究所

渡辺 宙志

我々は気液混相流の全粒子計算に向け

理論予測と直接比較、検討することが可このように、昨今のスーパーコンピュータ

た第一歩として、多重気泡生成過程のシ能となり、気泡生成過程もLSW 理論で良の計算能力の向上により、以前は夢物語でミュレーションを行った。 炭 酸 飲 料の栓く記述できることがわかった。さらに、温あった「マルチスケールな問題のミクロレベ

を抜くと、まず多 数の気 泡があらわれた度をわずかに変えると系の性質が大きく変ルからの全粒子計算 」が現実的に実現可能

後、気泡間相互作用により、大きな気泡

わり、気泡の数のベキ的振る舞いの指数となった。少し前のこととなるが、筆者ががより大きく、小さな気泡がより小さくなが変化することがわかった（ 図2）。これは、MDで再現した多重気泡生成のムービーをるオストワルド成長と呼ばれる現象が起き低温では界面での蒸発が、高温では拡散ある研究者に見せたところ「 MDで多重気泡る（ 図1）。オストワルド成長は一次転移をがそれぞれ全 体のダイナミクスのボトル生成は無理だと思っていた」と言われたこと伴う系において普遍的に見られる現象でネックとなっているためと判明した。一般がある。通常のPCやクラスタではできないあり、その理論は1960 年代にLifshitz、に非平衡過程におけるミクロなダイナミク

規模の計算を行うのもスーパーコンピュー

Slyozov、Wagnerらによって構築された

スは、非平衡カレントが熱運動に紛れてしタの重要な役割であるが、実はその計算能

LSW理論としてまとめられている。しかし、まうために調べることが難しい。今回得た力が計算物理学者の想像力の限界を決める

これまで液滴生成や、合金系への適用は

結果は、大規模な計算を行うことで、マクという側面も持っている。逆に、アクセス可

あったが、気泡生成で本当に成り立つか

ロな振る舞いからミクロなダイナミクスの能な計算資源が大きければ大きいほど、試は確認されてこなかった。また、準安定領解明に成功したことを意味する。さらに京してみようと思うテーマも幅広くなる。スー域からの核生成率を予言する古典核生成

コンピュータのフルノードを用いて100 億

パーコンピュータは、単により大きな計算論が、液滴生成率はよく予言できるのに粒子規模の大規模計算を行い、多重気泡ができる、より早く結果を出せる、というだ

対し、気泡生成率は桁でずれてしまうとい

生成直後に何が起きているか、詳細に調けではなく、研究者の想像力を広げ、質的う問題があり、古典核生成論がLSW 理論

べている。

に異なる研究を生み出すツールでもある。

と多くの仮定を共有していることから、気泡生成におけるオストワルド成長はLSW理論で記述できない可能性もあった。そこ
で我々は最 大で7 億3 千 万 粒 子の計 算を行うことで、気泡数密度分布関数を精度
総気泡数の時間発展。

よく測定することに成功した。計算には京図2コンピュータの4096 ノードを24 時間用

する時 間 領 域において総 気

いたジョブを、条件を変えて10 本、合計
で100 万ノード時間が費やされた。このよ
うな大規模計算により初めて分布関数を

オストワルド成 長 を

泡 数 はベ キ 的 に減 衰 す るが、ミクロなダイナミクスを

反 映し、その指 数は温 度によって異なる。

ultiple Bubble Nucleation 12

C enter ofC omputational
M aterials
S cience

計算物質科学研究センターの
    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・大学院理学系研究科／物性研究所 教授）

究者との共同プロジェクトの受託、企業との共同研究開始や常行 真司

産学のコンソーシアム設置等につながっています。SPring-8

物 性研究所計算物質科学研究センター（CCMS; Center

や J-PARC、KEK-PFなどの大型研究施設と実施した連携
シンポジウムは、情報共有が進んだことで、具体的な課題の解決策を探る勉強会に発展しています。

of Computational Materials Science）は、文部科学省の人材育成活動としては、全国の若手研究者育成のための推進する HPCI戦略プログラム（2011-15年度）のため、2011

計算科学特論の配信講義、最先端の超並列計算技術を学

年 4月に設置され、5年間の活動を実施してきました。2016年

ぶための合宿、ソフトウェア利用促進のための講習会など、度から新たな活動を開始するにあたり、これまでの総括と今後様々な企画を実施しました。配信講義の人気サイトへのアクセの展望をお伝えします。

スは 1万件を超えています。また、CMSIで構築し運営してい

HPCI戦略プログラムの最大の特徴は、超並列計算を駆使る物質科学計算ソフトウェアのポータル MateriApps（右ペー

した科学・技術の振興のために、物性、分子、材料分野をジ参照）は、ユーザ数が 1万人を超えるサイトに育っています。

融合したネットワーク型のコミュニティー「計算物質科学イニシ

2016年度からは文部科学省フラグシップ 2020ポスト「京」

アティブ」（Computational Materials Science Initiative、

重点課題プロジェクトが本格実施されます。CCMSは金研と

以下 CMSI）を形成したことです。CMSIは物性研究所、自ともに、重点課題（7）「次世代の産業を支える新機能デバイ

然科学研究機構分子科学研究所、東北大学金属材料研究

ス・高性能材料の創成」を、分子研は重点課題（5）「エネ所を中核拠点、産業技術総合研究所、物質材料研究機構

ルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術を産官学連携拠点、東北大学、東京大学、金沢大学、豊の開発」を実施しますが、それぞれの重点課題は分野融合

橋技術科学大学、総合研究大学院大学、名古屋大学、京型の研究チームで構成されています。また、CCMSでは物

都大学、大阪大学、神戸大学を教育拠点とし、さらに個人

質設計評価室と連携して、2015年度から新たに採択された参加の研究者を加え、中核メンバーは 117名、コミュニティー

文部科学省「科学技術人材育成のコンソーシアムの構築事

メンバーは 1,000名を超えました。主催した研究会やシンポジウ

業」において「計算物質科学人材育成コンソーシアム」（東ム等への行事参加者のべ人数は 2015年 12月時点で 11,123名

北大学（代表機関）、分子研、大阪大学と共同）を立ち上となり、物質科学分野に大きなインパクトを与えています。

げ、計算物質科学人材のキャリアアップを支援する活動を開研究開発では、世界最先端のスパコン「京」でブレークスルー

始しました。さらに、物質・材料研究機構に2015年度に形成が期待される「新量子相・新物質の基礎科学」「次世代先端された「情報統合型物質・材料研究拠点（MI 2I）」との連携

デバイス科学」「分子機能と物質変換」「エネルギー変換」「マを強化し、情報科学的手法を計算物質科学に導入する試み

ルチスケール材料科学」の 5つの研究領域で、「京」を利用も始めています。

する戦略課題と、関連する3〜 4の特別支援課題を設けました。

このように、CCMSでは 5年間の HPCI戦略プログラムでの各メンバーは物性研、分子研、金研のスパコン 20%の計算資活動を発展させて、物性、分子、材料分野が融合した計算源提供や CCMS神戸拠点でのプログラム高度化支援等を受

物質科学の振興活動を引き続き推進する体制を整えていま

け、超並列計算技術を習得しました。その結果、多くの特別す。この体制を基礎として、最先端の超並列計算手法の開支援課題が「京」の一般利用公募に採択されています。

発・普及をさらに進めるとともに、解析的理論研究者、実験・CMSIが実施した実験家や企業との連携研究会やシンポジ
ウムは、文部科学省の元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成

13型＞（2012-21年度）への CMSIメンバーの参画や、実験研

計測研究者へも活動の幅を広げながら、イノベーションの創
出と科学的・社会的価値の創造を目指します。

part 3

MateriApps の 紹 介

計算物質科学研究センター

物質科学シミュレーションのポータルをめざして

物性研スーパーコンピュータ共同利用、ナノ統合プロジェ

いて開発者自身の生の声を伝えます。さらには、アプリケー

クト、HPCI戦略プログラム等を通じて、様々な物質科学ア

ションごとに用意されたフォーラムにより、利用者とアプリケー

プリケーションが開発されてきました。効率的なアルゴリズム、ション開発者が直接情報共有、意見交換を行うことのでき

優れた並列性能、最先端の機能など、これまでにない優る場を育てます。

れたアプリケーションも数多く生まれています。しかしながら、その一方で、物質科学の公開アプリケーションを使い始め

実験家・企業研究者にその存在が伝わっておらず、主としようとする際に、ソフトウェアのインストールそのものが大きなて海外製の公開ソフトウェア・商用ソフトウェアが使われてい障害となっているのも事実です。物性研のスーパーコンピューるのが現状です。また、ソフトウェア開発そのもの、あるいタシステムだけでなく、京コンピュータを始めとする国内の主はその開発者が十分に評価されているとはいえません。

要なスーパーコンピュータへの計算物質科学アプリケーショ

我々は、 物 質 科 学シミュレーションのポータルサイト®

ン・ツールのプレインストールを進めるために、インストールツー

MateriApps （マテリアップス）の整備を通じて、これまで

ル MateriApps Installerを整備しています。さらに、物あまり知られていなかった国内外で開発された物質科学ア

質科学アプリケーション、OS（ Debian GNU/Linux）、エ

プリケーション、あるいは今開発されているアプリケーション

ディタ、可視化ツールなど、物質科学シミュレーションを始を紹介しています。利用者の「やりたいこと」から効率的にめるのに必要な環境が全て一つのイメージファイルに収めら検索が行えるよう、アプリケーションは、その計算手法、対れ、USBメモリや仮想マシンからブートするだけで簡単に使象となる物質、興味のある現象・物理量などの視点から多うことのできるパッケージソフトウェアMateriApps LIVE !を次元的に整理されています。また、充実したマニュアル・

開発・公開し、講習会などの機会に広く配布しています。

チュートリアルなど、利用者が気軽に試すことのできる環境

MateriApps LIVE !を教材とした物質科学シミュレーションを整備し、アプリケーションの魅力、将来性、応用性につのチュートリアル整備も進んでいます。

MateriApps で取り上げられている主要アプリケーション。
2016 年 1 月現在 168 の物質科学アプリケーション・ツールが掲載されている。
※ ☆印は MateriApps Installer/ LIVE! 収録（一部予定）ソフトウェア

物質科学シミュレーションのポータルサイト

MateriApps  http://ma.cms-initiative.jp/

物質科学アプリケーションが収められた USB パッケージ

MateriApps LIVE!

14

物性研スパコンの活動

part 4

ソフトウェア開発・高度化プロジェクト 開始!!
東京大学物性研究所では、物性研究所●

提案者・提案者の指定する研究協力者

共同利用スーパーコンピュータ（以下、物性●コーディネータ（物性研教員, 1名）

研スパコン）の一層の普及を目指し、2015年4●プログラム作成者（物性研専任職員，２名程度）

月からソフトウェア開発・高度化のプロジェクト●

その他物性研スタッフ若干名を開始しました。

の体制のもと、約 1年の期間を通しソフトウェ

ソフトウェア開発・高度化プロジェクトでは、

アの開発・高度化を行います。

並列計算の高度化・複雑化に対応するため、高度化支援では開発だけではなく、付随す

物性研究分野で特に重要であり、物性研ス

るドキュメントの整備や普及支援（物性研スパ

パコン上での利用が見込まれるプログラムを

コンへのインストールやウェブページへの掲載

対象に、その開発または高度化を行います。

など）、物性研スパコンでのテスト計算実施な

利用者がより簡便に高度な並列計算を実施

ども行います。実際に高度化した内容はソフできる環境を整備することで、新規現象の予

トウェア高度化推進チームのウェブページ＊等

測や実験結果との検証などを迅速に可能とで順次成果報告していく予定です。
また、プロジェクトで高度化されたソフトウェアする、ユーザビリティの高い計算機資源の提供を行なっていきたいと考えています。

はオープンソースソフトウェアとして公開すること対象とするプログラムは、毎年物性研究を基本としています。そのため成果物は物性研所の公募により募集を行い、共同利用委

スパコンに留まらず様々な計算機資源で利用可

員会による審査の上、選定します。選定さ能であり、本プロジェクトを通した物性物理コミュ

れたプロジェクトは、

ニティー全体への発展の寄与が期待されます。
＊ http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/supercom/rsayh2/softwea-dev

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

スパコンが切り拓く
物性物理の最先端2016 年 2 月

15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
URL http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/supercom/
TEL 04−7136−3207

part 4

物性研スパコンの活動

物性研スパコン と 主な計算物理

1960 -■ 富士通 FACOM 202(PC2)■ 富士通 FACOM 270-30■ 富士通 FACOM 230-48■ 富士通 FACOM M-160F■ 富士通 FACOM M-360■ 富士通 FACOM M-380R■ 富士通 FACOM M-380

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●-1995.01

1995.01 -●■ 富士通 VPP500/40

A 日立 SR8000/60■

  model F1

2005.03 -A 日立 SR11000■

  model J1/48

2010.07 A NEC SX-9■

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 Nの
2第一原理計算● 非平衡緩和法●■ SGI Origin 2000(24CPU)■ Intel Paragon(66CPU)

2000.03 -富士通 FACOM 202 (PC2)●-2000.03

日立 SR8000/60 model F1

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●

B SGI Origin■

  2800/384-2005.03

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
SGI Origin 2800/384● 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●

B SGI Altix 3700■

  Bx2/1280-2010.03●

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
NEC SX-9● フラストレート磁性体におけるトポロジカル相転移●

B SGI Altix ICE■

  8400EX

2013.04 --2015.03 ■ 富士通 PRIMEHPC
FX10
2015.07 C●

B SGI ICE XA/UV■SGI Altix ICE 8400EX
SGI ICE XA/UV富士通 PRIMEHPC FX10

16

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