第２回
第回 次世代スパコンを知る集い（2010/3/2
代を集 （仙台））

次世代スパコンが切り拓く可能性

地震と津波 高精度予測 災害軽減
地震と津波の高精度予測・災害軽減
古村 孝志
東京大学 情報学環 総合防災情報研究センター/地震研究所① 地震動・津波シミュレーションの現状② 次世代スパコンによる地震と津波の高精度評価③ 大規模並列計算に向けた課題

高密度地震観測網 と 超並列スーパーコンピュータ
兵庫県南部地震から10年：①高密度地震観測網、②平野部地下構造探査、
②
野部
構 探 、
③高速シミュレータ の整備③ 高速並列計算機（地球シミュレータ）③.
高速並列計算機（地球シミ レ タ）
5120 CPU, 40TFLOPS, JAMSTEC① 高密度強震観測網①.
K-NET, KiK-net, 1800 Stations, NIED②. 全国の平野部地下構造調査
文科省 自治体他
文科省、自治体他

地震動シミュレーションによる揺れの再現、予測
運動方程式（釣り合いの式）
兵庫県南部地震 震源断層モデル（Yoshida et al., 1996）..

ρU p =∂ σ xp∂x+∂ σ yp∂y+∂ σ zp∂z+ fp

応力ー歪み構成方程式 (Hooke’s Law)
⎛ ∂U x ∂U y ∂U z ⎞⎛ ∂U p ∂U q ⎞⎟⎟δ pq + μ ⎜⎜
⎟⎟
+++
∂x
∂
yz
∂
qp
∂∂
⎝
⎠
⎝
⎠

σ pq = λ ⎜⎜大阪堆積盆地地下構造モデル
産業総合技術研究所（2003）
大阪府（2003;2005）

地球シミュレータで再現した兵庫県南部地震の揺れ
淡路島

明石海峡

神戸

大阪

六甲山

高密度観測網で見た ２００８年岩手宮城内陸地震
多様な地震動、現代の多様な多様な地震動
現代の多様な構造物による被害の多様性（岩手県一関市） 大加速度（A＞４G）

５秒

防災科学技術研究所
強震観測網（全国1800点）
地震計データの可視化（東京） 長周期地震動（T>７ｓ）

100 秒

南海トラフ巨大地震による
南海トラ巨大地震による強震動 地殻変動 津波
強震動、地殻変動、津波

繰り返す巨大地震
今後30年以内の地震発生確率
・南海・東南海・東海地震（M8.0）：
南海 東南海 東海地震（M8 0）： 40-80%以上
40 80%以上
・宮城沖地震（M7.5)： 99%以上
2008年
岩手宮城内陸地震(M7 2)
岩手宮城内陸地震(M7.2)

宮城沖地震
1995年
兵庫県南部地震（M7.3）

東海地震
東海震
東南海
南海

1707年宝永地震による強震動（ES2による計算）

1944年東南海地震による長周期地震動
地震計実記録（大手町）

被害の予測（実大振動台実験）

防災科学技術研究所HPより

シミ レ シ ン結果の検証
シミュレーション結果の検証
シミュレーション

地震動の予測観測記録

東海地震＋東南海地震
連動発生シナリオ

新1707年宝永地震モデルによる津波
１７０７年宝永地震による津波（ES2による計算）

1946年南海地震による強震動、地殻変動、津波
南海地震の翌日
検潮記録（土佐清水）

現在の高知市街地
５０５０ｃｍ

沈降

１時間

隆起
写真： 高知大岡村教授、高知県危機管理局による地殻(1) 強震動による影響・被害(2) 地震地殻変動による隆起・沈降（高知市街地は0.6～2m沈降）(3) 土佐湾では津波が十数時間継続

地震動と津波のシミュレーションの高度化

地震ー津波連成計算： １８９６年明治三陸地震（（２）津波発生）津波発生
・伝播計算（１）地震動・地殻変動計算・３次元運動方程式
・FDM計算・３次元Navier-Stokes式
・FDM計算連成
津波

弱連成

海底地殻変動

地震動
地震強震動と津波の予測から被害の予測・災害軽減へ
強震動シミュレーション

被害検証・予測シミュレーション

阪神高速道路
倒壊写真

強震動

1995年兵庫県南部地震
地震発生予測シミュレーション

再現地震波形（阪神高速 大日交差点付近）

JAMSTEC,
東大 名大など
東大、名大など

津波シミュレーション

各要素シミュレ ションを結合（連各要素シミュレーションを結合（連成）『地震まるごと（end-to-end）』シ
ミュレーションの実現広帯域、短周期（T<1s）地震動の高精度評価
短周期地震動の散乱評価
・短波長(<100m）不均質短波長(）不均質構造のモデル化・高分解能計算
高分解能計算地震観測波形（現モデル）
多層構造モデル（次世代モデル）
速速度揺らぎモデル
ぎ デ気仙沼

物性値（剛性率、密度etc）：＝平均値＋揺らぎ

計算規模:
・分解能40m
分解能（現在の ）（現在の1/5）
・計算規模 54=625倍

地球変動の長期・短期予測ー地震予報
仮想地球 Earthquake
仮想地球：
E h k Simulator
Si l
(ES)

20%
リアルタイム
データ同化
40%
10%

今月の地震発生確率
今月
地震発 確率

写真：地球シミュレータ

陸域・海域高密度観測網
陸域
海域高密度観測網（地震、地殻変動、津波）

シミュレータ内に仮想地球を作る
シミ
レ タ内に仮想地球を作る
地震発生を監視、危険度を警告

次世代スパコンによる次世代スパンによる大規模計算の実現

出展：理研次世代スパコン開発本部HP

地震動計算の効率（ベクトルvsスカラーCPU）(2) 並列計算効率

4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
15
1.5
1.0
0.50.0

ES(8GFLOPS/PE)

T2K（9.2GFLOPS/core)

720

360

180804020

1052.51.250.625

T2Kスパコン(東大）
スカラー型
memm(MB)演算
算速度 [GFLOPS](1) 演算速度モデルサイズ[MB]注）ESの演算速度はES2計算より推定【T2K】 小モデルがGood（キャッシュ効果）
小モデルがG d（キシ 効果）【ES】 大モデルがGood （ベクトル長効果）【実効性能】
・T2Kは、ESの1/6程度・６倍の並列化が必要

地震動計算の効率低下（ESÆES2へ）
地震動シミュレーションコード（Seism3D3)(1) メモリ速度の暴落
ESCPU

ES2

8GFLOPS

102GFLOPS

4 B/F

2.5B/Fメモリ

メモリ(3) 並列計算効率（ES2 vs.
vs ES）

ADB

実効性能比: 50 %
実効性能比
並列化率: 99.998%(2) 通信効率の低下（レイテンシ大）大 ？
ES: クロスバSW 接続

ES2: Fat Tree 接続
SWnodenode

実効性能比: 22.7 %並列化率: 99.94%

地震動シミュレーションコードの最適化(1) 計算手順の変更∂ σ xy① ∂ σ xz②∂ σ xxρ u&&x =++ fx,+∂x
∂y∂z
∂σ ①
∂ σ yy∂σ ③xyyz+++ fy,ρ u&& y =∂z∂x∂y
② ∂σ ③∂ σ xz∂ σ zzyz
ρ u&&z =+++ fz.
∂x∂y∂z★コ ドチュ ニングの効果★コードチューニングの効果(ES2／ES性能比＝ 7.97 倍)・演算性能向上： 1.36 倍・最大並列化数： 1.3 倍
実効性能比: 31.1%
並列化率: 99.995%【Before】 方程式に従い順番に計算【After】 同一変数の演算を一括実行（データロード回数の節約）(2) MPI通信の最適化

実効性能比: 22.7%
並列化率: 9999.94%
94%

袖領域域

通信バッファ

Pack/Unpackp【Before】 MPI_CREATE_SUBARRAY() を利用【After】 Pack/Unpack操作を自分で書く

並列計算効率次世代スパコンが拓く未来 ー課題ー
（１）地震と津波の高精度予測・災害軽減へ■ 広帯域（f>5Hz）シミュレーション（計算量は625倍）■ 地震ー津波連成、地震災害まるごとシミュレーション■ 計算ー観測融合、“仮想地球”をスパコンに作り未来予測（２）大規模並列計算の求めるもの■ 高精度化以上の成果（突然見えてくる世界）■ 次次世代スパコンに向けた新たな計算物理の創出
ESES28GFLOPS

102GFLOPS

４B/F

2.5B/F

メ リ
メモリ

メ リ
メモリ

ADB

次世代スパコン128GFLOPS

0.5B/F

キャッシュ

メ リ
メモリ

（３）次世代スパコンに向けた課題■ メモリ速度の低下（スカラー、ベクトル共通）
リ速度 低下（ラ 、 ク ル共通）
■ ユーザ主体のコード（高度）チューニング
■ 大容量データ処理、可視化（４次元データ）