64

日本惑星科学会誌 Vol. 23, No. 1, 2014

研究会開催報告：
計算惑星科学シンポジウム
林 祥介 ，梅田 隆行 ，梅村 雅之 ，小河 正基 ，亀山 真典 ，
6
7
18
玄田 英典 ，小久保 英一郎 ，高橋 芳幸 ，寺田 直樹 ，
9106
中本 泰史 ，西澤 誠也 ，牧野 淳一郎
1232012 年に完成した「京」コンピュータの後継となる，エクサフロップス級計算機の開発計画が具体的になり※1つつある．文部科学省の「将来の HPCIシステムの※2456．
られることとなった（図 1 右 ）さて，このような状況下において惑星科学に携わる研究者はどう振舞うべきか（あるいは，振舞わざるべならびきか），今後何らかの形で高機能計算機に関わっていに「今後の HPCI 計画推進のあり方に関する検討ワー

くであろう惑星科学関連研究者・学生が情報に接し，あり方の調査研究」（2012 年度，2013 年度）※3「エクキンググループ」 等で調査・議論が重ねられ，意見表明・交換する場の必要を，遅ればせながらではサスケール・スーパーコンピュータ開発プロジェクト

あるが感じて企画されたのが「計算惑星科学シンポジ（仮称）」が第 116 回総合科学技術会議（2013 年 12 月 17ウム」である．
「計算科学ロードマップ」に纏わる情勢※4日）で評価を受けるに至った ．そこでは「様々な社を概観し，エクサフロップス級計算機の開発の方向に会的・科学的課題の解決に資する演算性能１エクサフついて情報の共有をはかるとともに，惑星科学研究にロップス（「京」の約 100 倍）レベルのスーパーコンピュおける課題の具体化とそれに必要となる研究開発体制ータの開発・整備及びそれを活用するためのアプリケ等について議論する場とすることが有志主催者（すなーションの開発を行い，平成 32 年（2020 年）頃までにわち，「計算科学ロードマップ」での惑星科学分野の※5運用を開始する」とされている（図 1 左 ）．対象とされる社会的・科学的課題や，それらを扱っていく上で解決されるべき諸問題とその見通しなどは，上記調査研究において「計算科学ロードマップ（概要，中間報告書）」（http://hpci-aplfs.aics.riken.jp/document.

html）としてまとめられており，今後，ターゲット課題の絞り込みを行った上で，開発実施主体である理化学研究所計算科学研究機構を中心に，アプリケーション設計開発と連携協調したシステム構成の検討が進め
1. 神戸大学 理学研究科 地球惑星科学専攻・惑星科学研究センター
2. 名古屋大学 太陽地球環境研究所
3. 筑波大学 計算科学研究センター
4. 東京大学 総合文化研究科
5. 愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター
6. 東京工業大学 地球生命研究所
7. 国立天文台 理論研究部
8. 東北大学 理学研究科 地球物理学専攻
9. 東京工業大学 理工学研究科 地球惑星科学専攻
10. 理化学研究所 計算科学研究機構 複合系気候科学研究チーム
comps-staff@cps-jp.org■2014遊星人Vol23-1.indd

64

1. HPCI=High Performance Computing Infrastructure．以下の脚注で説明するように固有名詞でもある．
2. 文 部 科 学 省HPCI計 画 推 進 委 員 会（第9回 ）資 料1－1「 将 来 のHPCIシステムのあり方の調査研究の進め方について（案）」http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/020/shiryo/attach/1319672.htm
3. 文 部 科 学 省「 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」http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/028/ は， 文 部 科 学 省 の「HPCI推 進委 員 会 」（http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/020/，「京」コンピュータの建設に伴い文部科学省研究振興局長の私的諮問機関として2010年8月設置）の下に「京」以後を検討するべく設置．2012年4月から2013年11月現在までに23回の会合が行われている．固有名詞の「HPCI」あるいは「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」とは「京」コンピュータを中核に，拠点大学基盤センター等のスーパーコンピュータを高速ネットワークで接続して連携運用を可能とすることによって，我が国における研究開発用高機能計算環境の提供を実現するシステムあるいは組織のこと
で，RIST（高度情報科学技術研究機構）により運用されている（http://www.hpci-office.jp/）．
4. 総合科学技術会議（第116回）資料1－2「 総合科学技術会議が実施する国家的に重要な研究開発の評価『エクサスケール・スー
パーコンピュータ開発プロジェクト（仮称）』の評価結果（案）」http://www8.cao.go.jp/cstp/siryo/haihu116/siryo1-2.pdf

2014/03/13

15:06:55

研究会開催報告：計算惑星科学シンポジウム／林 他

65

6

図1：（左）エクサスケール・スーパーコンピュータ開発プロジェクト ．（右）エクサスケール・スーパーコンピュータ開発スケジュー
7ルイメージ．アプリケーション設計開発と連携協調するシステム設計開発 ．

執筆者ら）の目論見である．あるいは，より一般に，と続く計算機開発と計算科学の振興の流れにおいては，惑星科学における今後の計算科学の展開を展望し，必指定された重点投資分野に対しソフトウェア開発や利要とする計算資源をイメージし，その実現と運用に必用のための人材予算措置がなされてきた．
「京」コン要となる企画・研究・運営等の体制を当該分野関係者

ピュータ計画においては HPCI 戦略プログラム 5 分が主体的に検討・議論し描いていけるような雰囲気作

野り，流れ作りにつなげていければ，ということを期待分野で活動する人々が次世代 HPCI 計画の策定に大きした試みである．

く関わっている．惑星科学においては，地球科学ある※7が設定され投資を受けるとともに，これら戦略本来なら，そのようないわゆる科学現場からのボト

いは天文学という経路で参入している人々を除けば，ムアップな議論検討によって，計算環境や人的配置のこれまで残念ながらこの重点投資の流れからは外れて実現がもたらされるのが望ましいことは言うまでもなきており，人材育成やソフトウェア開発力の蓄積に遅い．我が国が惑星探査を続ける限り，これを支援するれをとってきた懸念がある．今回の「計算科学ロード

シミュレーションやデータ解析の人材育成とソフトウマップ」では，惑星科学研究が重点分野課題の候補のェア開発能力の担保，その管理提供維持を担う情報基一つとして盛り込まれており，これまでの状況から離盤的組織の立ち上げは急務である．また，我が国が計陸できる可能性を秘めているが，一方で，惑星科学分算機開発を国策の一つに掲げる限り，これを必要とし野において HPCI に関わってきた人材は少なく，いわ応分の成果を提供する能力がある科学分野には計算資ゆる“受注倒産”に至る危険性もはらんでいる．
「計算源の優先配分がなされること，従って，これに参入し惑星科学シンポジウム」の主催者企画意図は，そのようる＜以下同文＞もまた現実である．1990 年代後半

うな政策的な流れに巻き込まれない，という類の選択から始まる，地球シミュレータ，「京」コンピュータ肢まで含めて，このような動きに関連しうる人々が科学的必要や戦術的・戦略的メリット・デメリットを議

5. 総合科学技術会議（第116回）資料1－1 総合科学技術会議が実施する国家的に重要な研究開発の評価「エクサスケール・スー
パーコンピュータ開発プロジェクト（仮称）」の評価結果（案）【概要】１http://www8.cao.go.jp/cstp/siryo/haihu116/
siryo1-1_1.pdf より
6. 文部科学省「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（第22回）」
資料3 フラッグシップシステムに関する検討状況
http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/028/
shiryo/__icsFiles/afieldfile/2013/11/07/1341268_04.pdfより．
図中のアプリはアプリケーションの略．
7. 文部科学省「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）の構築について」http://www.mext.go.jp/a_menu/kaihatu/jouhou/hpci/1307375.htm■2014遊星人Vol23-1.indd

65

論し，意思疎通をはかることにある．
以上のような意図をもった活動のなんらかの継続性を期待して，「計算惑星科学シンポジウム」の主催者
は有志個々人名ではなく，CPS（惑星科学研究センター）の協力によりにわかに立ち上げた任意グループ「計算 惑 星 科 学 フ ォ ー ラ ム」
（http://www.cps-jp.org/~comps/）とした．企画意図に賛同いただいた，HPCI
戦略プログラム分野 5，日本惑星科学会，SGEPSS 地
球電磁気・地球惑星圏学会，国立天文台，CPS 惑星科

2014/03/13

15:07:04

66

日本惑星科学会誌 Vol. 23, No. 1, 2014

学研究センターには共催をお願いした．かくして，「計献する社会的課題に重点が置かれているが，既存分野

算惑星科学シンポジウム」は 2013 年 11 月 23 日（土），の連携により創出される新しい科学についても検討が惑星科学会秋季講演会の機会を利用し，石垣島離島タなされた．惑星科学は，現在の「京」コンピュータのーミナル会議室にて話題提供者 10 名を含む 38 名の登戦略 5 分野に含まれている「宇宙」および「地球科学」

録参加者＋若干の飛び入り参加者の参集を得て開催さとの連携強化により発展が期待される科学と位置づけれた．以下提供された各話題の簡単な要約を記載する．

られている．
「計算科学ロードマップ」では，エクサ

各話題の資料のうち公開が許されたものは「計算惑星スケール計算機により発展が期待できる惑星科学の課

科学シンポジウム」のホームページ（http://www.cps-

題として次の 3 つがあると述べている．すなわち，（1）

jp.org/~comps/pub/2013-11-23/）に PDF で格納してい惑星系の形成，（2）地球・惑星の形成，（3）惑星表層るので参照されたい．

環境の形成と進化，である．これらは執筆に携わった有志が選んだ茫漠としたものであり，十分な検討に基プログラムづくものとは言えない．今後，このような各課題に対・林 祥介（神戸大・理／ CPS）：趣旨説明する意見や，さらに，課題提案や次世代 HPCI 計画全・中本泰史（東工大・理工学）：「計算科学ロードマ

般に対してなどの全般にわたっての意見を広くコミュップ」での惑星科学
・牧野淳一郎（東工大・ELSI）：今後の計算機と計算科学…なぜ我々は 7 年前の間違いを繰り返 { す，した } のか・小久保英一郎（国立天文台・理論）：惑星系形成進化における計算科学と計算機・玄田英典（東工大・ELSI）：惑星形成研究における計算科学と計算機ニティから集めること，これらを「計算科学ロードマップ」最終版に反映していくことが必要である．

今後の計算機と計算科学…なぜ我々は7年前の間違いを繰り返｛す，した｝のか
牧野は，「京」の開発過程を振り返り，その問題点をまとめ，エクサスケール計算機の目指す方向について議論した．
「京」では，できた計算機は要求仕様通・小河正基（東大・総合文化）・亀山真典（愛媛大・りのものになっているが，半導体製造技術の進歩の方地球深部ダイナミクスセンター）：惑星内部研究

向から見ると，演算速度に対してメモリバンド幅や通における計算科学と計算機信バンド幅に重点をかけすぎであり，しかも並列化効（昼休）率を大きく左右する通信レイテンシについてはあまり・高橋芳幸（神戸大・理）：惑星表層研究における計重点がおかれていなかった．言い換えると，「独自算科学と計算機

RISC プロセッサによる大規模スカラー並列」という・梅田隆行（名大・STEL）
・寺田直樹（東北大・理）：90 年代に世界の主流であった方向を極限まで進めた

惑星圏研究における計算科学と計算機，6 次元計ものである．エクサスケール計算機ではアプリケーシ

算（エクサ）に向けた，現状（京）を踏まえョンの多様な要求に対して，その少なくとも一部につ（休憩）いては「現在ないし過去の主流」ではなく，半導体技・梅村雅之（筑波大・計算科学研究センター）：宇宙術の発展方向からくるべきアーキテクチャで応える，生命計算科学連携拠点（CAB）についてという方向で進めようとしている．具体的には，「汎・総合討論：次世代高性能計算機ってどうよ？

用部」+「加速部」で，加速部ではメモリ容量はある程（懇親会）

度犠牲にして，メモリバンド幅と通信レイテンシを改計算科学ロードマップでの惑星科学
中本は，「計算科学ロードマップ」の惑星科学分野の主要著者の一人であり，「計算科学ロードマップ」善することで小規模な計算でも高い並列効率をあげることを目標にしようとしている．つまり，超大規模計算だけのためのスパコンではなく，やりたい計算を速く，を目指す．

での惑星科学に関する扱いについて解説を行った．
「計算科学ロードマップ」ではエクサスケール計算機が貢■2014遊星人Vol23-1.indd

66

2014/03/13

15:07:04

研究会開催報告：計算惑星科学シンポジウム／林 他

惑星系形成進化における計算科学と計算機

67

くの特徴に影響を与えたと考えられており，これまで多くの数値シミュレーションが行われてきたが，その小久保は，惑星系形成進化の問題における計算科学解像度はそれほど高くはない．巨大天体衝突によるコ的展開を N 体シミュレーションの具体例を用いて述アとマントルの混合や，大気・海との相互作用など，べた．太陽系とは様相の異なる系外惑星系が多数発見

地球化学的に重要な事柄を検討するためには，従来よされている現在，太陽系も含めた多様な惑星系の起源

りも 3 桁以上解像度を挙げる必要がある．と進化を一般的に理解することは惑星科学ならびに天文学の最重要課題の一つである．現在の惑星系形成の惑星内部研究における計算科学と計算機標準シナリオでは，固体惑星やガス惑星の固体核は微小河・亀山は，惑星内部研究における計算科学的展

惑星とよばれる小天体の衝突合体によって形成される．

開を，主に地球型惑星のマントル対流に着目して解説

この過程で，微惑星は互いの重力散乱によって軌道をした．マントル対流シミュレーションが対象とする科

進化させながら，衝突合体／破壊によって質量分布を学的課題の 1 つとして，地球型惑星内部の熱・化学状進化させる．この進化は重力多体問題として近似する態とその進化過程の解明を挙げることができる．このことができる．例えば，太陽系の微惑星数は 1000 億

自己無撞着な取り扱いには，固体マントル物質の（部個程度と見積もられ，惑星集積の時間スケールは 10分）融解やこれに伴う物質分化過程を含んだ火成活動億年になる．この問題の難しさは，系が衝突系であるのモデル化が決定的に重要である．しかしながら，こため高精度計算が必要なこと，そして惑星集積の時間うした火成活動とマントル対流とを結合させた系のシスケールが長いため長期計算が必要なことである．現

ミュレーションでは，時間刻みの制約や両者のフィー在の最大規模の多体シミュレーションは，重力多体問ドバックに伴う計算不安定が存在することもあり，こ題専用計算機 GRAPE を用いたもので 10 万体を 10 万れまでは主に 2 次元モデルによって基本的な性質を解年である．次世代計算機では惑星系の構造形成を理解明することに留まっており，3 次元あるいは球殻ジオするために 1 億体 1 億年規模の多体シミュレーションメトリを用いたモデリングの実現が強く望まれている．

を実現したいが，そのためにはガスとの相互作用などマントル対流シミュレーションの技術的な課題は，その物理素過程の理解と高効率な並列化計算法の開発がの流れ場を各時間ステップでいかに高速かつ高精度で必須である．

解くかに集約されている．そもそもマントル対流とは，惑星形成研究における計算科学と計算機
玄田は，惑星形成の問題における計算科学的展開を，「岩石が固体状態のままゆっくりと流れる」という非常に特殊な流れであり，その流れ場は力学的定常状態を記述する悪条件な大規模連立一次方程式を解くこと主に天体衝突に注目して述べた．惑星形成において，で定められる．連立一次方程式を数値的に解く作業は，天体衝突は必然かつ頻繁におこる重要なプロセスであ頻繁な通信を伴うなど，計算の大規模並列化には本質る．例えば，微惑星形成時のダストの合体成長，原始的に不向きであるという困難がある．このような現状

惑星形成時の微惑星同士の衝突，地球型惑星形成時のを受けて亀山らは近年，多重格子法と独自の緩和計算

原始惑星同士の巨大天体衝突などが挙げられる．惑星アルゴリズムを用いた 3 次元シミュレーションプログ

形成を理解するためには，詳細な衝突プロセスの検討

ラムを開発した．この方法には，大規模並列計算に適が必須である．最近玄田らが行った微惑星同士の数値用した場合でも性能の劣化がさほど深刻ではないといシミュレーションによると，衝突破壊が起こる条件が，う利点がある．これに加えて特に低レイテンシ・高速数値計算の解像度に強く依存し，従来よりもかなり容な PE 間通信の可能なハードウェアを利用することが易に壊れることがわかった．計算結果が収束するためできれば，火成活動・マントル対流結合系の 3 次元シには約 1 億粒子の解像度が必要であり，微惑星から原ミュレーションの実現に向けた強力なプラットホーム始惑星が形成されるまでのプロセスをカバーするための構築が可能となるであろう．には様々な衝突条件（1000 通り以上）での数値計算が必要である．また，巨大天体衝突は，地球型惑星の多■2014遊星人Vol23-1.indd

67

2014/03/13

15:07:04

68

日本惑星科学会誌 Vol. 23, No. 1, 2014

惑星表層研究における計算科学と計算機
高橋は，惑星大気を例に惑星表層シミュレーションモデルでの技術的問題を解説した．惑星の大気循環構
造は，ハドレー循環のような惑星規模の運動構造から，局所的な熱対流や波動・乱流のような惑星よりも非常に小さなスケールの運動構造まで様々なスケールの運動の相互作用の結果として決定される . また，それらの循環による熱輸送と物質輸送は，大気中の物質分布や雲の分布を定め，それらの分布は翻って放射伝達による惑星大気全体のエネルギー収支と平均的な気候状態を定め，輸送構造を規定する . このような惑星大気の循環構造や気候の表現と理解に向けた数値計算にお図2： 宇宙生命計算科学連携拠点（CAB, Computational AstroBiology）のイメージ（梅村による）．

いて，今後の開発される大型計算機に期待される計算
課題は，1）惑星サイズに比べて小さな循環・擾乱を陽計算資源を必要とする．近年の計算機能力の発達によに表現する高解像度計算，2）時定数の長い厚い大気やって，太陽風相互作用の全体とミクロ過程を同時に記

大気進化を直接的に扱うことのできる長時間計算，
3）

述する，5 次元のミクロ - マクロシミュレーションが様々な物理過程を考慮した計算，4）多数のアンサンブ行えるようになりつつあるが，今後は弱磁化天体周辺ル計算，であるだろう．数値モデルの信頼性を高め，のプラズマ環境ならびに表層環境への影響の理解など太陽系内惑星および太陽系外惑星の循環構造や気候のを目指して，6 次元のミクロ - マクロシミュレーショ

研究の大きな進展につながるためには，これらの問題

ン を 実 現 し て い く． 惑 星 圏 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は，が有機的に解決できるような計算環境と人材育成が必

MHD コード，粒子コード，ブラソフコードなどの多要である .

様なコードから成るが，コードによって必要とする計

惑星圏研究における計算科学と計算機
梅田・寺田は，「6 次元計算（エクサ）に向けた，現状（京）を踏まえ」というサブタイトルで，エクサスケールコンピューティングに向けた惑星圏シミュレーシ算機が異なる．例えば MHD コードは高メモリバンド幅を必要とし，粒子コードは大きな共有メモリを必要とする．

宇宙生命計算科学連携拠点（CAB）

ョンの課題を外観した．それらは，（1）MHD（磁気流

梅村は宇宙生命計算科学連携拠点（CAB）について体力学）近似の限界を超える超高解像度での惑星圏グその概要を述べた（図 2，http://www.ccs.tsukuba.

ローバル MHD シミュレーション，（2）ブラソフコー

ac.jp/CCS/research/research_promotion/comp-

ドや全粒子コードを用いた 6 次元惑星圏グローバルシastrobio）．この 10 数年，系外惑星観測，星間分子観測，ミュレーション，（3）惑星放射線帯の粒子・流体混成

アストロバイオロジーの様々な取り組みにより，宇宙シミュレーションなどである．（1）の MHD シミュレ

における生命起源探究の機運は急速に高まってきていーションでは，従来の計算は惑星圏の大局的構造の再るが，宇宙分野と生命分野が密に連携して，計算科学現に注力していたが，今後は大局的構造の再現に加えにより探究する拠点はまだない．本拠点は，宇宙分野，て，境界層乱流や，ホール項などの非 MHD 効果を含む，生命分野，惑星分野の協働なくしては探究できない宇メソスケールの境界層過程の解像が可能となる．これ

宙生命起源に関わるキープロセスを探究し，宇宙生命により，太陽風 - 惑星圏相互作用のメソ - マクロシミュ計算科学の確立を目指すものである．本計画では，連レーションの実現が期待される．（2）（3）のブラソフコ携の中核拠点を置き，共同研究推進体制を作る．本拠

ードや粒子コードにおいては，実空間（3 次元）に加え点が取り組む研究課題は，星間分子生物学，惑星生命て速度空間（3 次元）も取り扱うため，さらに大規模な科学，星・惑星形成の 3 つを柱とし，これらを宇宙・■2014遊星人Vol23-1.indd

68

2014/03/13

15:07:11

研究会開催報告：計算惑星科学シンポジウム／林 他

69

生命・惑星計算科学の連携の下で大規模シミュレーシ
ョンによって探究する．具体的な課題は次のとおりである．（1）惑星形成：ダスト形成，ガス・ダスト系力学，微惑星形成，原始惑星形成，惑星大気・海洋形成，（2）
星間分子生物学：星間分子化学，アミノ酸生成過程，アミノ酸ホモキラリティ（円偏光波による不斉化），（3）惑星生命科学：惑星大気科学，惑星分子化学，バイオマーカー（光合成，レッドエッジ）．現在，22 研
究機関 54 名（天文・宇宙分野 10 名，生命・物質分野
22 名，惑星科学分野 16 名，計算機工学分野6 名）で※8

活動中である ．
総合討論「次世代高性能計算機ってどうよ？」は，予想通り（？）時間が押して，あまりまったりとした議論ができなかったのが残念ではあった．当然一回の会
合で，今後エクサスケール計算機にむけての惑星科学研究における課題の具体化とそれに必要となる研究開発体制等について議論することは困難であるわけだが，エクサスケール計算機計画は進行中であり，今後も同様な機会を設けていく必要は減じていない．今後，惑
星計算科学フォーラムは，上記 CAB 等の諸組織・諸活動との連携をとりつつ，HPCI の展開だけでなく，惑星探査や系外惑星観測に付随するべき計算情報イン
フラから個々の研究現場での諸問題に至るまで，広い意味での惑星科学に関する様々なシーンでの計算科学的，技術的，政治行政的問題を論じ，交流していく場として活動を続けていくつもりである．幅広い関係者※9の参加あるいは運営協力をお願いしたい ．

謝 辞
国立天文台水沢石垣島天文台の宮地氏と東工大の坪内さんには会場の手配，設営，懇親会の準備等で大変お世話になりました．ありがとうございます．おかげ
さまで懇親会では素晴らしい夕日を拝むことができました．懇親会でのさまざまな情報交換・交流活動を促進するのに大きな貢献であったと思います．

8. 宇宙生命計算科学連携拠点（CAB）問い合わせ先： 筑波大学 計算科学研究センター 梅村雅之 umemura@ccs.tsukuba.ac.jp
9. 計算惑星科学フォーラム 問い合わせ先 e-mail: compsstaff@cps-jp.org■2014遊星人Vol23-1.indd

69

2014/03/13

15:07:11