公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/

特集

大規模流動解析 on HPC

特

流体運動に関する方程式を数値的に解くことによって流れ状態を詳細に定量評価する数値流体解析は，各種の流体機械や構造物の設計ツールとして現在では必須の存在となっている。単相流などの単純系では集計算手法がほぼ確立し，近年は相変化や化学反応を伴う流れや動的境界面との連成解析など，様々な物理現象を数値モデルで表現して解くことが可能となり，また海洋／気象現象などの大規模な流動現象を高精細かつフルスケールで解くような数値モデル開発が進んでいる。このような大規模複雑計算を支える基盤技術である計算機（スーパーコンピュータ）の能力も飛躍的に向上しており，直近で日本一の OakforestPACS（2016 年，
25 PFLOPS，
東大 - 筑波大）
では黎明期の Cray-1（1976 年，160 MFLOPS，Cray Research）
に対して約 1.6 億倍に達している。本特集では国内の主要 HPC 拠点における大規模で複雑な流体解析事例を紹介することで，化学工学分野におけるHPC の利用促進を期待する。

（編集担当：坂本明洋）†

HPCI と大規模流動解析
中島浩

課題は全体の約 1/4 を占めており，この分野での高性能計

1．はじめに算の重要性を示すとともに，今回の特集テーマである流動解析をはじめとする高度な大規模解析に関する研究開発がHPCI（High-Performance Computing Infrastructure）は，京コンピュー活発におこなわれていることを示している。

タを中核として，SINET5（Science Information Network 5）で全国

以下本稿では，HPCI およびそれと密接に関係する学際12 拠点のスーパーコンピュータを結合した，世界でも有大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点（JHPCN）の枠組や数の大規模計算基盤である 。HPCI を構成する各機関は，利用可能な計算資源を紹介するとともに，HPCI を支える文部科学省の「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティプレーヤの一つである HPCI コンソーシアムの役割と，今ング・インフラ（HPCI）構築事業」の運用事務局であり，ま後の大規模流動解析に対する期待を述べる。

1）

た特定先端大型研究施設としての京コンピュータの利用促

2．HPCI と計算資源進のための登録施設利用促進機関（登録機関）でもある高度情報科学技術研究機構（RIST）との密接な連携のもとで，平

HPCI は，図 1 に示す 12 拠点（9 大学，3 研究機関）が有する

成 24 年度より HPCI を利用する公募型研究のための計算資多様なスーパーコンピュータを，高速ネットワークSINET5源提供と研究支援をおこなっている。
この公募型研究は，4 月から実施されている平成 29 年度で結合した広域分散型の高性能計算基盤であり，統一アカ分を含めて総計 646 件（「京」利用 361 件，「京以外」利用 285 件）にウント（HPCI アカウント）を用いたシングルサインオンをはも及び，我が国の高性能計算技術の進歩はもちろん，科学じめとするさまざまな連携利用機能の構築・運用が，各拠技術全体に対して大きな貢献を成してきている。中でも化点と運用事務局である RIST，および SINET5 の構築・運用を担っている国立情報学研究所（NII）によっておこなわれ学工学誌がカバーする「物質・材料・化学」の分野に属する2017 年 2 月 7 日受理

226ている。これらの拠点の計算資源を利用する研究課題の公High-Performance Computing Infrastructure（HPCI）and Large-Scale Multiphase FlowAnalyses
Hiroshi NAKASHIMA
1981 年 京都大学工学研究科情報工学専攻修士課程修了
現 在 京都大学学術情報メディアセンター
教授，（一社）HPCI コンソーシアム
理事長
連絡先；〒 606-8501 京都市左京区吉田本町
E-mail h.nakashima@media.kyoto-u.ac.jp

募とピアレビューによる選定は RIST が実施し，毎年「京」の利用課題が 70 件程度，またそれ以外の資源を利用する課題も 70 件程度，それぞれ採択・実施されている。また
12 拠点中の 8 拠点は，JHPCN の構成拠点でもあり，HPCIと連携した公募型の共同研究を毎年40件程度実施している。
これらの拠点が HPCI に提供している計算資源のうち，† Sakamoto, A.

平成 28，29 年度化工誌編集委員（特集 5 号主査）
新日鐵住金（株）技術開発本部プロセス研究所（2）

著作権法により無断での転載等は禁止されています

化学工学公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/

り，今後は Oakforest-PACS のように「京」を上回るものも少なからず登場するものと予想される。
JHPCN
構成拠点

北海道大学
情報基盤センター

3．HPCI コンソーシアム

特

平成 24 年 4 月に設立された HPCI コンソーシアムは，京都大学
学術情報メディアセンター

かれたものとするために，その構築・運用・課題選定・利統計数理研究所
統計科学技術センター

用支援のあり方についてのコミュニティの意見を集約し，それに基づく提言を文部科学省などの関係各方面に対して筑波大学
計算科学研究センター

大阪大学
サイバーメディアセンター
理化学研究所
計算科学研究機構おこなうことを，主要な任務としている 3）。コンソーシア
ムには，計算科学のさまざまな分野のユーザコミュニティ

東京大学
情報基盤センター

九州大学
情報基盤研究開発センターを代表する組織（ユーザコミュニティ代表機関，16 組織） と，

東京工業大学
学術国際情報センター

名古屋大学
情報基盤センター

HPCI あるいは個別のコミュニティに計算資源を提供する組織（HPCI システム構成機関，20 組織）から，それぞれの代表者

海洋研究開発機構
地球情報基盤センターが正会員として参加しているほか，計算科学に関連する15の組織の代表者がアソシエイト会員として参加している。

図1

HPCI 構成拠点

表1

HPCI の計算資源コンソーシアムが最近力を入れているテーマは，「京」以外の計算資源，いわゆる「第二階層資源」の性能が表 1 に示したように大幅に向上していることを踏まえて，これらのピーク演算性能負担金機関（略称） システム名称 システム ノード
注（千円）（PFlops）（TFlops）
北大
日立 SR16000
0.17
0.98 344.5 （1）東北大
NEC SX-ACE
0.71
0.28
35.2 （1）
JCAHPC
Oakforest-PACS
25.00
3.05
50.0 （3）筑波大COMA
1.002.55 205.0
東大
富士通 FX10
1.140.2430.0
東工大
Tsubame-2.5
5.76
4.08 230.4 （1）名大富士通 FX100
3.241.1320.7 （1）京大Cray XC40
5.48
3.05
57.5
阪大
NEC SX-ACE
0.140.2878.0 （1）九大
富士通 CX400
0.97
1.52
4.0
JAMSTEC NEC SX-ACE
1.410.28 1134.7 （2）理研 AICS 京
10.62
0.1383.8 （2）
統数研
SGI UV2000
0.100.38---

資源の整備・運用主体である各機関の独自性・独立性と，HPCI 全体に対するコミュニティのニーズとを，いかに調和させて HPCI を改善・発展させるかの方策である。これらに関する提言は近々公表する予定であるので，是非ご一読いただきたい。

4．今後の大規模流動解析
今回の特集テーマである大規模な流動解析は，HPCI 利用研究課題や JHPCN 共同研究課題として数多く実施されており，本号に寄稿された論文も全てこれらの研究に基づくものとなっている。一口に流動解析と言っても，その方法論（1）従量制課金（2）産業利用を対象とした従量制課金（3）筑波大・東大による共同運用施設やアルゴリズムはさまざまであるが，共通する課題として局所的にも大域的にも計算が複雑化することが挙げられる。

主要なものを表 1 に示す。また，各資源を原則として学術局所的な計算，たとえば格子点あたりの計算の複雑化目的で有償利用する場合の 1 ノード・年あたりの利用負担は，計算対象となる物理量の増加やその表現形式の多様化金（概算額）も併せて示す。なお，負担金の額は利用資源量を伴うことが多いが，これらに起因する参照・更新対象配など利用形態によって異なることもあるが，1 ノード・年列の増加や間接参照の存在が，最近のスカラープロセッサあたりの金額が最小となる形態に基づいて算出している。の高性能化の源泉である SIMD 機構の活用を阻害することまた従量課金を採用している資源については，実際の年間がしばしばある。また，大域的な計算複雑化の代表的な要利用時間を 24 時間× 240 日として算出している。したがっ因である並列計算負荷の均衡化は，一般にプログラムの複て提示している額はあくまで参考値であり，有償利用を検雑化・肥大化を招き，開発コストも大きい。これらの問題に掲載に対して共通解を見出すことは容易ではないが，たとえばの各拠点 web site へのリンクを通じて，各資源の利用負担JHPCN の枠組を活用するなどして，アプリケーションの金規程などを参照されたい。

ニーズと計算技術のシーズをマッチさせた研究開発が進む

討する場合には，HPCI システム構成機関の一覧

2）

表に示すように，各拠点ではそれぞれ特徴あるさまざまことを期待したい。

な資源を提供しており，用途に応じて適切なアーキテクチャや規模の資源を選択することができる。またピーク演

参考文献
1）HPCI：High-Performance Computing Infrastructure http://www.hpci-ofﬁce.jp/
2）HPCI システム構成機関リンク http://www.hpci-ofﬁce.jp/pages/hpci_link
3）一般社団法人 HPCI コンソーシアム http://hpci-c.jp/

算性能は，システムレベルで 1 PFlops を，またノード単体レベルでは 1 TFlops を，それぞれ超えるものが既に多数あ第 81 巻

第 5 号（2017）（3）

著作権法により無断での転載等は禁止されています

227集

HPCI を我が国の計算科学技術関連コミュニティ全体に開東北大学
サイバーサイエンスセンター