次世代スーパーコンピューター開発プロジェ
クトとライフサイエンスのグランドチャレンジ：生命体統合ソフトウェア開発

次世代計算科学プログラム 副プログラムディレクタ
姫野 龍太郎理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

次世代スーパーコンピュータ開発プロジェクト

2006年度からスタート、システム開発・施設建設・グランドチャレンジのアプリ開発までを総合したプロジェクト（文部科学省、総額約1150億円）



スーパーコンピュータの開発とその応用は国家基幹技術（第3期科学技術基本計画）



理化学研究所では2006年1月に開発実施本部設立
基本方針


シミュレーションにより、科学技術・産業の競争力を維持、高める

スパコンの開発力を国内に保持し、継続的な開発を可能とする

完成時に世界最速レベルの性能を達成する
目標
 理論性能やLINPACK性能を考慮しつつ、実効性能(アプリ性能)を重視したシステム構築を目指す。


幅広い活用を促すため、低コストを実現しつつ、利便性の高い汎用機により目標性能を達成することを目指すとともに、アクセラレータの検討も行う。



低消費電力CPUなど、新規性の高い技術をベースとした波及効果の高いハードウェア技術の開発を目指す。

2

理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

プロジェクト全体の開発体制とグランドチャレンジ
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

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

開発グループグループディレクター

貞

姫野龍太郎

総括チーム

協力協定

○筑波大学
○JAMSTEC

チームリーダー（兼）姫野龍太郎
システム開発チーム
チームリーダー

共同研究
・九州大学
・筑波大学
・東京大学
・国立天文台
・日立製作所
・日本電気
・富士通

横川三津夫

アプリケーション開発チーム
チームリーダー 花村光泰
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

共同開発

・日立製作所
・日本電気
・富士通

アプリに関係した部分
グランド・チャレンジ
ナノサイエンス
分子科学研究所
ライフサイエンス
理研・和光研究所
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全体スケジュール
平成18年度（2006）

理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

平成19年度（2007）

平成20年度（2008）

平成21年度（2009）

平成22年度（2010）

平成23年度（2011）

稼動▲
演算部（スカラ部、ベクトル部）

システム

制御フロントエンド

概念設計

詳細設計
詳細設計

試作・評価

(トータルシステムソフトウェア）

基本
基本
設計
設計

詳細設計
詳細設計

共有ファイル

基本
基本
設計
設計

詳細設計
詳細設計

アプリケーション）
グ(ランドチャレンジ

ソフトウェア

次世代ナノ統合シミュレーション

施設

計算機棟

研究棟

製作・評価

性能チューニング・高度化
性能チューニング・高度化

製造・据付調整製造・据付調整実証
実証

開発・製作・評価開発・製作・評価

設
設 計
計

完成▲

製造・据付調整製造・据付調整

開発・製作・評価開発・製作・評価

次世代生命体統合
シミュレーション

平成24年度（2012）

実証
実証

建設
建設

設計
設計

運用

方針・体制の検討
方針・体制の検討

建設
建設

準備活動
準備活動

運用
運用

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理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

次世代スーパーコンピュータ利用に向けた生命体統合シミュレーションソフトウェアの開発体制の構築について
・理化学研究所（和光研究所）は、次世代スーパーコンピュータ開発利用プロジェクトにおけるグランドチャレンジアプリケーションの一つである「次世代生命体統合シミュレーションソフトウェア」の開発拠点として選定され、平成１８年１０月に「次世代計算科学研究開発プログラム」を発足。
・平成１８年度には、現体制によりＨ１９年度以降の研究開発の本格実施に向けた準備を進め、平成１９年４月より各機関で研究を開始。

5

理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

これまでの経緯と今後の予定
２００６（Ｈ１８）年 ８月

和光研究所が「次世代生命体統合シミュレーションソフトウェア」の研究開発拠点に選定

１０月

和光研究所に「次世代計算科学研究開発プログラム」を設置、プ
ロジェクトスタート

２００７（Ｈ１９）年 １月

プロジェクト関係者によるワークショップを実施、Ｈ１９年度以降の研究開発の本格実施に向け、研究計画を検討

２００７（Ｈ１９）年 ４月

各協力研究機関含め、本格的な研究を開始（年額予算１６億）１１月

アプリケーションの開発支援を行う新規チーム（生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム）を設置。

～２０１０（Ｈ２２）年度

各研究開発チームでシミュレーションソフトウェアを開発、平行して産業応用等に向けたアプリケーションの改良を検討

２０１１（Ｈ２３）年度開発したシミュレーションを次世代スパコンでチューニング

２０１２（Ｈ２４）年度

チューニング完了、本格活用

6理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

生命のシミュレーションのスケールの広がりと計算方法*DNAのATGC情報は大きさ0

バイオインフォマティクスからのアプローチ

ミクロからのアプローチ

マクロからのアプローチ
方法論が未知の領域

MD・第一原理・量子化学
シミュレーション
空間スケール
タンパク
DNA
10nm 細胞 10μ大きさ

組織10-6~-4

10-9~-7連続体シミュレーション

器官

10-3~-2

Macro

この間が広いことが分かる

1000km

100m

1cm

10m

10010-1

Meso

Micro

10cm

全身
循環器
1m

100km

7理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

生命体統合シミュレーションの狙い

Meso

生命体

器官

http://info.med.
vale.edu/

マイクロ・マシン
マイクロ・マシン

循環器系
循環器系

マルチ・マルチ・フィジックス
フィジックス

組織構造
組織構造

循環器系
呼吸器系
筋骨格系

Macro

HIFU
HIFU

細胞http://ridge.icu.ac.jp

分子構造解析
分子構造解析

システム
システム
バイオロジー
バイオロジー

タンパク質
ゲノム
ゲノム

カテーテル・カテーテル・内視鏡手術
内視鏡手術

組織RIKEN

DDS
DDS

大量の実験データ
大量の実験データ

ミクロからマクロまでが互いに深く関連
個別のシミュレーションを行うだけでは全体像に迫ることができない

遺伝子

Micro*DNAのATGC情報は大きさ0

種々のシミュレーションを駆使、スケールを超え、生命を統合的に理解

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理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

ライフサイエンスにおけるグランドチャレンジ
背景

ライフサイエンスの研究手法

技術的制約

生命現象のトータルな理解に迫る
新しいアプローチの必要性

ライフサイエンスのシミュレーションに必要な計算量が不足

実験に基づく実証的・疫学的アプローチだけ
では、部分的・個別な解明するにとどまり、生命のトータルな理解が課題。

複雑な生命現象をシミュレーションで再現するためには、現状の計算量をはるかに凌ぐコンピュータが必要

次世代スパコンを用いてライフサイエンスにおける新しい研究分野の開拓に挑戦（グランドチャレンジ）次世代生命体統合シミュレーション
目指す方向

最終目標

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、計算科学により生命現象を統合的に理解・予測・解明する。
●生命科学に仮説－検証型の新たな研究手法を提供●生命プログラムの理解・再現・予測を実現●創薬・ヘルスサイエンスへの貢献、新規医療技術の実用化

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理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

次世代生命体統合シミュレーション
研究開発の概要と達成目標
解析的アプローチ

分子ス
ケール
細胞スケール
全身臓器スケール
基礎原理
（方程式）

実験データから解析へのアプローチ
ライフサイ ○生命現象の統合的な理解（＝生命プロエンスの新データ解グラムの再現）
たな研究手
析融合段の提供○医薬品・医療機器、HPC技術を駆使したペタス
診断・治療方法のケール・シミュレーション
開発 （＝創薬や新規医療技術への実用化）
大規模データ３10

理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

研究開発項目の互いの関連
生命プログラムの再現・理解・予測
生体分子

タンパク質

細胞

分子スケール研究開発
生命活動の分子基盤であるタンパク質などの生体高分子が生体内で担っている機能をシミュレーションによって捉えることにより、分子生物学・細胞生物学の課題を解明し、さらには新たな薬剤開発につなげることを目的とする。

細胞膜上の生体高分子
エネルギー代謝系の電子移動膨大化するゲノムや遺伝子関連データをペタスケールで解析するアルゴリズムなどの応用技術を開発すると共に、データ同化によるデータとシミュレーションモデルの融合を図るモデル構築技術を開発する。

器官細胞に関するシミュレーションのプラットフォームを開発し、細胞内の現象の実測データより得られた物質の量・移動等の情報を取り込み、疾患等の理解へつなげるとともに、実測データを各スケールのモデルの妥当性の補強に活用、プロジェクト全体に寄与する。

代謝経路の推定

創薬ターゲット探索および個人差を考慮した医療のための基盤情報技術の創出

データ解析融合研究開発の４つの研究課題○生命体シミュレーションのためのデータ同化技術の開発○遺伝子ネットワークの推定とその応用○タンパク質間相互作用ネットワークの推定とその応用○ゲノム多型データと表現型

生命システムに対する予測と発見の基盤情報技術の構築

創薬・薬剤副作用の予測

人体

臓器全身スケール研究開発

代謝・循環システムの動的理解と疾患制御

細胞スケールの研究開発とレベル統合に向けた３つのカテゴリー○細胞下・細胞スケールシミュレーションの基盤構築と応用○シミュレーション基盤情報収集
データ同化による○マルチレベルシミュレーション
モデルの精緻化

薬剤設計に関わる計算科学手法の提供

データ解析融合研究開発

組織細胞スケール研究開発

分子シミュレーションの３つの計算手法○量子化学計算：酵素反応、エネルギー代謝○分子動力学計算：タンパク質の分子機能の解明○粗視化モデル：タンパク質のフォールディング
ターゲット
分子の推定

人体シミュレーターによるヘルスサイエンスへの貢献

循環器系、筋骨格系、種々の臓器、呼吸器系などを備えた人体モデル化技術の開発を行い、生体内で起こる種々の現象を理解し医療に結びつけることを目指す。
人体モデル構築に向けた５つの課題○全身ボクセルデータ、臓器全身力学モデル○人体内超音波伝播シミュレータの構築○心臓全体完全シミュレータの開発○血管網の構築と血液循環統合シミュレーション○肺呼吸・肺循環統合シミュレーション

成人病の病態制御方法の開発

アプリケーション研究開発支援

診断技術・治療技術の確立

産学連携

ソフトウェアを次世代スーパーコンピュータで利活用するため、ソフトウェアの並列化・高性能化の支援、基盤ソフトウェアのとりまとめを行う。また、研究成果から得られた、創薬ターゲットの探索などの、ソフトウェアの実用化に向け、産業界と連携した研究開発体制の構築も進める。

次世代スーパーコンピュータの利活用に向けたアプリケーションの整備
医療応用、産業応用に向けたアプリケーションの開発

１２

理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

研究開発体制

２００７年１２月１日現在

独立行政法人理化学研究所
本所・各研究所・次世代スーパーコンピュータ開発実施本部
・情報基盤センター 等

密接な連携

次世代計算科学研究開発プログラム(和光研究所)（次世代生命体統合シミュレーション開発拠点）
運営委員会
プログラムディレクター(PD) 茅 幸二
アドバイザリー委員会
副プログラムディレクター 姫野龍太郎

サーチ委員会

コーディネーター 高田 俊和

評価委員会

次世代生命体統合シミュレーション研究推進グループ グループディレクタ 梶谷 文彦
分子スケール研究開発チーム チームリーダー：木寺 詔紀
細胞スケール研究開発チーム チームリーダー：横田 秀夫
臓器・全身スケール研究開発チーム

チームリーダー：高木 周

データ解析融合研究開発チーム チームリーダー：宮野 悟
生命体基盤ソフトウェア開発・高度化チーム
チームリーダー：泰地 真弘人

密接な連携
企画調整グループディレクター

分子スケールＷＧ
木寺詔紀（横浜市大）
・理研と連携し 高田彰二･林重彦（京大）佐藤文俊（東大）
研究開中村春木（阪大）
発を実施。

細胞スケールＷＧ
末松誠・安井正人・柳川弘志（慶応大）
横田秀夫・安達泰治（理研）
倉智嘉久（阪大）
清野進（神戸大）後藤信哉（東海大）

中津 健之

臓器全身スケールＷＧ
松本洋一郎･大島まり･久田俊明（東大）
姫野龍太郎･高木周（理研）
山口隆美（東北大）
松澤照男（北陸先端大）
野村泰伸･和田成生（阪大）
劉浩（千葉大）岡澤重信（広島大）
野間昭典（京大）

データ解析融合ＷＧ
宮野悟（東大）樋口知之（統数研）
秋山泰（東工大）
鎌谷直之（理研）

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理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム

今日のシンポジウム

理研・和光研がグランドチャレンジ・ライフ拠点に選定されて生命体統合シミュレーションの研究開発を開始して1年３ヶ月。
目標、研究開発体制と開発するソフトウェアの計画概要を紹介
網羅的に全てを紹介する代わりに、特に２つの話題に絞って、議論することとした1.
階層を超えるモデリング2.
医療を通じての社会貢献
セッション１：階層を超えるモデリング
開発するソフトウェアに使う方法(特に階層を超える部分）とサイエンスへの取り組み
他のスケールとの関係・連携
セッション２：医療を通した社会への貢献
開発されるソフトウェアと想定している利用
利用にあたっての人材育成や実際に役立つことを理解してもらう活動など

生命現象は広く、既存チームではとてもカバーできない領域や、我々の視点が狭いことによって見落としている部分があると予想される。それを具体的に指摘していだだき、今後探求すべき方向を考えるセッション３を用意した。
実験を元にした新たなモデル化のアプローチ：理研・神戸研・上田先生
脳科学の立場から：脳科学研究センター・甘利センター長
産学連携の見地から：大正製薬・北村先生

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