次世代スパコンプロジェクトと 物性科学分野の課題 寺倉清之 北陸先端大 産総研 計算基礎科学シンポジウム 東京 2008.6.16 物性科学の課題 物性科学の特長： 多様性 “The rest is infinity” （金森順次郎） 以下にほんの数例を挙げる。 • 基礎研究 超伝導、強相関電子、ナノ物質 。。。 • 将来のデバイス開発の基礎 ナノサイエンス・テクノロジー （次世代スパコングランドチャレンジ） 分子エレクトロニクス スピントロニクス 量子計算 。。。 • 資源、エネルギー、環境に寄与 電池：太陽電池、Li 電池、燃料電池 水素吸蔵 Keywords: 熱電素子 元素戦略、化学反応、電子励起、 ダイナミックス、核の量子効果、電子相関 。。。 次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発拠点体制図 研究顧問委員会 （委員長：中村宏） 拠点長 副拠点長 中村宏（分子研）、茅（理研）、上田（物性研）、中嶋（金研） 下村（物構研）、江崎（化研）、小林（産総研）、北川（物・材機構） 諸熊（京大）、中村道（日立）、横山（富士通研） 平田（分子研） 常次（物性研）、岡崎（分子研） システム運用 リーダー： 水谷（分子研） 統括管理（事務局） リーダー： 岡崎（分子研） 森田（東北大）、松田（分子研） 次世代ナノ情報 機能・材料 リーダー： 常次（物性研） サブ： 前川（金研）、常行（東大） 寺倉（産総研） 金研、物構研、分子研、東大、名大、 物性研、阪大、京大、産総研、北大、 筑波大、物・材機構、日立、 NTT と共同研究 運営委員会 （委員長：平田） 平田（分子研）＊、岡崎（分子研）＊、常次（物性研）＊、米満（分子研）＊、水谷（分子研）＊ 高棹（旭化成）＊、永瀬（分子研）、中原（化研）、北浦（産総研）、岡本（名大） 前川（金研）＊、常行（東大）、寺倉（産総研）、那須（物構研）、青柳（九大） 斉藤（分子研）＊、姫野（理研）、三浦（情報研）、高田（文科省） ＊；運営小委員会を兼任 次世代ナノ生体物質 次世代エネルギー リーダー： 岡崎（分子研） サブ： 北浦（産総研）、岡本（名大） リーダー： 平田（分子研） サブ： 永瀬（分子研）、中原（化研） 産総研、名大、京大、分子研 岡山大、化研、東大、東レ と共同研究 分子研、化研、九大、早大、 慶応大、京大、豊田中研 と共同研究 （委員長：平田） 理研・ナノ統合拠点連携WG リーダー： 平田（分子研） ハード・OS開発と ナノ分野グランドチャレンジ 研究開発の連携 グリッド実証WG リーダー： 斉藤（分子研） 中核アプリケーション高度化WG リーダー： 岡崎（分子研） サブ： 常行（東大）、信定（分子研）、水谷（分子研） ハード連携担当： 常行（東大） 理研開発実施本部： 横川（理研）、花村（理研） 押山（筑波大）、遠山（京大）、藤堂（物性研）、岡崎（分子研）、平田（分子研）、永瀬（分子研） 、北浦（産総研） 物性科学WG 分子科学WG 主査： 寺倉（産総研） 主査： 榊（京大） ナノ設計実証（公募） 運営 小委員会 グリッド実証VO形成 ミドルウェアの実証 次世代統合ソフト ウェアWG リーダー： 米満（分子研） 異種アプリケーションの 任意な組合せ、結合、実行 GIANT, IGNITIONの開発 リーダー： 高棹（産応協※） スーパーコンピューティング技術産業応用協議会 (174社) 旭化成、 三井化学、 大日本住友製薬、日立金属、富士通研究所、住友化学工業、東芝、旭硝子、昭和電工、日本触媒、ダイセル化学工業 ※、スーパコンピューティング技術産業応用協議会 出光興産、JSR、花王など 39 次世代ナノ統合 シミュレーション ソフトウェア 電子デバイス第一原理シミュレーション デバイス要素 大規模複合系/長時間/多サンプル/高信頼性 RSDFT 伝導計算 Order-N法 マルチカノニカル法 磁気デバイスシミュレーション 多機能/高精度/量子ダイナミクス デバイスサイズ（性能・集積度） スピン流シミュレータ ALPS 2.5nm 量子マスター方程式 5nm 大容量・高出力 10nm III-V, SiC 強相関電子デバイスシミュレーション 基底状態，静的 ダイナミクス，非線形 動的密度行列 繰り込み群 厳密対角化 量子モンテカルロ法 20nm 40nm バリスティック動作 ゲート電流の低減 High-K/Metal gate 移動度向上 Ballistic GOI CNT, Nanowire 配線 共鳴トンネルデバイス 超低消費電力 分子・有機デバイス 超高速 新機能 単一電子デバイス Beyond CMOS 超伝導デバイス スピントロニクス 超高密度化 自己組織化 非線形光学応答 原子・分子デバイス SiGe, SGOI, GOI 量子効果･スピンデバイス CMOS Extension 2010年 2020年 西暦 2030年 2040年 43 Physicist members of nano-science 北大 毛利哲夫、大野宗一、 相澤秀昭 About 100 researchers 山形大 富田憲一 仙台電波高専 小椎八重航 阪大 赤井久純、尾形成信、 草部浩一、小倉昌子 京大 遠山貴巳、原田健自 理研 古崎昭、有田亮太郎、 小布施秀明、桃井勉 大阪府立大 上杉徳照 奈良県立医科大 平井國友 分子研 米満賢治、信定克幸、 山下靖文 名大 井上順一郎、田中由喜夫、 伊藤博介 筑波大 白石賢二、 M. Boero、舘野賢、岡田晋、 小林信彦、矢花一浩 産総研 石橋章司、橋本保、田村友幸、 香山正憲、田中真吾、三宅隆、西岡圭太、 池庄司民夫、土田英二、小野田勝、 今村裕心崎 北陸先端大 寺倉清之、尾崎泰助、 前園涼、本郷研太 愛媛大 土屋卓久 東北大 川添良幸、前川禎通、 安原洋、水関博志、 高橋まさえ、佐原亮二、筒井健二、 石原純夫、松枝宏明、宮下哲、 横山寿敏、高橋三郎、小山富男、 佐久間昭正、土浦宏紀 日立 市村雅彦、佐々木直哉、 加賀爪明子、小野木敏之 NEC 広瀬賢二、宮本良之 高エネ研 那須奎一郎、吉 凱 物材機構 小山敏幸、諏訪嘉宏、 館山佳尚、 宮崎剛、西野正理 東大 常次宏一、押山淳、常行真司 杉野修、永長直人、小形正男、 宮下精二、藤堂眞治、川島直輝、陳 迎、吉本芳英、 赤木和人、村上修一、求幸年、柳瀬陽一、斉藤圭司、 福島孝治、富田裕介、黒田明義、松下勝義、鈴木隆史 東芝 石田邦夫 NTT 田村浩之 横浜国立大 松井和己 富士通 大淵真理、金田千穂子、 山崎隆浩 赤字：領域代表者 青字：研究計画代表者 緑字：１８年度公募研究代表者 茶字：評価班メンバー 科研費特定領域 「次世代量子シミュレータ・ 量子デザイン手法の開発 」 氏名の後の（実）は実験家 金沢大 小田竜樹、長尾秀美 阪大 赤井久純、鈴木直、森川良忠、笹井秀明、 広瀬喜久治、長柄一誠、佐藤和則、小倉昌子、 草部浩一、白井光雲、濱口幾太郎、柳澤将、 中西寛、D.W. Agerico、R. Muhida、岸智弥、 後藤英和、小野倫也、稲垣耕司、下司雅章、 吉田博、V.A. Dinh、 田畑仁（実）、渡部平司（実）、川合知二 広島大 城健男、樋口克彦、 小口多美夫、田口新、 獅子堂達也、中田謙吾 北陸先端大 寺倉清之、尾崎泰助 前園涼 福井工業大 張紀久夫 信州大 樋口雅彦 東北大 長尾和多加、白井正文、 三浦良雄、佐久間昭正 筑波大 押山淳、中務孝、白石賢二、 ボエロ・マウロ、岡田晋、バーバー・サバッシュ 矢花一浩、舘野賢 物・材機構 産総研 潮田資勝、大野隆央、佐々木泰造、 三宅隆、F. Aryasetiawan、 新井正男、宮崎剛、木野日織、 西野正理、奈良純、館山佳尚 茨城大 五十嵐潤一 東大 常行真司、藤原毅夫、今田正俊、 高田康民、吉本芳英 神戸大 保田英洋（実）、 田中章順（実） 京都工繊 播磨 弘（実） 東工大 濡木理 慶応 山内淳 奈良医科大 平井國友 東京理科大 福山秀敏 浜田典昭 国際高等研 金森順次郎 早稲田 塚田捷 群馬大 高橋学 東京都立大 酒井治 横浜国立大 大野かおる、石井聡、 野口良史 Members in “Quantum Simulator and Quantum Design” 臨界温度の変遷 HgCaBaCuO （高圧下） HgCaBaCuO （高圧下） HgCaBaCuO 160 臨界温度（Ｋ） 140 TlCaBaCuO TlCaBaCuO 120 BiCaSrCuO YBaCuO 100 80 液体窒素 細野秀雄 60 MgB2 40 20 0 NbN Pb NbC Nb Hg LaSrCuO LaBaCuO Nb-Al-Ge V3Si Nb3Ge Nb3Sn 1910 1930 1950 1970 1990 年 2010 秋光 純 高温超伝導体 全て層状物質！ 母物質は反強磁性絶縁体 母物質は反強磁性金属 ？ La, Sm, Nd, ,, O1-xFx O Fe 銅酸化物 Feオキシニクタイド MgB2 新原理・概念の開拓 スピントロニクス、センサー ベリー位相エンジニアリング（永長） トポロジカル電流 散逸のない流れ 交差相関（十倉） multiferroics magnetoelectric effect S. Murakami, N. Nagaosa and S.-C. Zhang Science 301, 1348 (2003) 永長 電池 磁化 電 池 ベリー位相エンジニアリング M ｐ型 ガリウム砒素 スピントロニクス スピンホール効果 スピン流 kz 磁気伝導 異常ホール効果 Z. Fang et al. Science 302, 92 (2003) |u 強誘電性 FRAM k | nkuk nk ky kx バンド状態の微分幾何学的構造 M. Onoda, S. Murakami and N. Nagaosa PRL 93, 83901 (2004) H. Katsura, N. Nagaosa and A. V. Balatsky PRL 95, 57205 (2005) 電気磁気効果 マルチフェロイック (交差相関） P Js フォトニック結晶 光のホールl効果 強相関電子を用いた交差相関物性 電気－磁気－光－熱の各物性・機能を相互に結びつける 物質相を開拓し、革新的・統合的な電子技術を創出する。 十倉 交差相関の例 伝 導 ・ 分 極 磁場，光 磁 化 電場,電流 光 応 答 強相関電子の多自由度が交差相関の担体 熱，磁場 multiferroics magnetoelectric effects Electric field Electric properties polarization Magnetic field Magnetic properties magnetization 交差相関 Electric Polarization in Multiferroics ノンコリニアー磁性とスピン軌道相互作用の共存によって始めて 電気分極が生じる。 TbMnO3 T. Kimura, Annu. Rev. Matter. Res. 37, 387 (2007) 結晶構造は中心対称性を持つ。 サイクロイダルな磁気秩序がスピン軌道相互作用を通して誘起する電気分極。 c b 磁場による電気分極の制御 磁場はb軸方向 Electronic Origin of ME effect ? model calculations ：Katsura, Nagaosa and Balatsky, PRL, 95, 057205 (2005) KNB機構 Non-collinear spin alignment Spin-orbit interaction electronic polarization P P eij (Si S j ) TbMnO3: 原子変位の効果 ノンコリニア磁気秩序のある系の電子状態に スピン軌道相互作用を on すると KNB機構 ⊿ρ(r) 電子分極 原子変位による分極 Pel PAD 実測の分極に比べて、一桁以上小さい。 |PAD| >> |Pel| 僅かな原子変位 (10-4Åのオーダー）が 大きいボルン有効電荷によって大きい 電気分極を誘起。 exp: -600 μC/cm2 el.: 32 μC/cm2 total: -467 μC/cm2 H. J. Xiang, et al., 0803.2741v2 [cond-mat] A. Malashevich and D. Vanderbilt, 0803.4135v3 [cond-mat] 共有結合によるボルン有効電荷の増強 O1 B O1 正イオンの移動は、逆方向の電子移動を伴う。 有効電荷の増強 Tb Mn O 7.5 7.5 - 5.7 ～ - 6.8 新原理からデバイスへ • 新しい物理現象は、今のところ主としてバルクの物 質について調べられている。 • 薄膜化はデバイス化に必須であり、研究が進行中。 • ２つの絶縁体の界面での金属・絶縁体転移 膜厚依存性、表面、界面の研究が重要。 不整合磁気秩序によるＭＥ効果の増大。 大規模な計算が必要 固体高分子型燃料電池（PEFC） メリット e- 2H2→4H++4e- H+ イオン交換膜 cathode anode H2 ・ 小型軽量で高出力密度 ・ 低温作動 （80 ℃） ・ ＣＯ２の排出量削減 O2 O2+4H++4e-→2H2O PEFC の問題点 Problem of PEFC アノード反応 >> カソード反応 カソードに多量の Pt 触媒 高コスト very expensive !! 可能性を秘めた炭素材料 炭素材料の世界 結晶性、多孔性、導電性、化学反応性 →多様性を示す材料 にも拘わらず 燃料電池電極触媒の世界 白金触媒 炭素材料 ＝ 白金触媒の担体 炭素担体 ・比表面積・細孔構造・電気伝導性 炭素の化学的側面は利用していない！ 炭素そのものに酸素還元活性を付与したい！ ジグザグ配置 ほとんどbarrier-lessで1個目の水分子ができる。 +H+ スピン3重項 +e- スピン2重項 +H+ + e- スピン1重項 吸着した O-O を H+ が攻撃するとC-O-O-Hが形成される。これに電子が電極から 供給されると、O-O結合が切れてOH-が形成される。このOH-はH+と反応して水になる。 物質科学シミュレーションおける 要素技術向上： 限界を広げる サイズ オーダーＮ法 計算負荷がシステム サイズに比例 ハイブリッド 本質的な部分だけを 量子力学的に 時間 位相空間探索 拡張アンサンブル Blue moon metadynamics 最適化 逆問題 設計 粗視化 マルチスケール 超並列計算技術 数値計算的な意味での計算精度向上 精度 電子相関 強相関電子 遷移金属酸化物 van der Waals 有機分子間 有機分子と金属 電子励起 光学応答 反応制御 軽い核の量子効果 熱平衡 多体系動力学 大型国家プロジェクト 今回 今後 政府 ？？ 政府 ？？ 研究者 コミュニティー 次世代スパコン プロジェクト 次世代スパコン プロジェクト 研究者 コミュニティー これまでの問題点： 研究者コミュニティーが組織化されていない。 研究者コミュニティーの窓口がはっきりしない。 次世代スパコンプロジェクトをきっかけとして 以下の問題意識が明確になった。 - 有効活用を目指した、コミュニティーの形成 計算物質科学連絡会議 - 計算科学の継続的発展を目指して 教育・人材育成 ソフト開発、普及、管理 - 超並列計算機への対応 計算科学と計算機科学の連携 緊急 計算物質科学連絡会議 ・ 次世代スパコンプロジェクトを視野に入れて、計算物質科学の研 究・教育活動に関する全国的な情報および意見交換の場 ・ 計算物質科学コミュニティーの窓口 ・ 年に一度、全体シンポジウムを開催 ・ 事務局を設置（世話人：福山、平尾、中辻、榊、土井、寺倉） －ＷＥＢページの充実により、 情報公開に努める。特に、 次世代スパコンについては、 理研との協力によりコミュニティー への情報伝達を行う。 －全体シンポジウムのアレンジ http://www.jaist.ac.jp/cmsf/ 各分野におけるコミュニティー形成 • 計算物性科学ＷＧ（主査：寺倉） http://mswg.issp.u-tokyo.ac.jp/ • 計算材料科学ワーキンググループ（幹事役？：毛利） http://www.ccmswg.jp/ • 理論・計算分子科学コミュニティ懇談会（主査：平尾） http://ccinfo.ims.ac.jp/community/index.html • 国際高等研フォーラム(代表：三間圀興 ） エネルギー分野：核融合、物質科学 • 計算基礎科学コンソーシアム http://www.ccfuns.org ＮＳＦにおけるペタプロップスマシン利用のプロジェクト公募 計算物性科学ＷＧの下記のホームページ http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/public/cmp/ 次世代スパコン共用に対する提言の付録２ に詳細を載せている。 ・ 科学技術の最先端課題の解決をめざす提案に重点が置かれている ・ ペタスケールコンピューティング環境を使うコミュニティーを作ることが目的の一つ http://www.nsf.gov/publications/pub_summ.jsp?ods_key=nsf07559 将来の計算機を見越した、基盤的な計算技術、ソフトウエア技術を重視 ・マルチスレッド、高度並列、階層的アーキテクチャを活用する技法を用いた アルゴリズムのスケーラビリティーを強化すること ・対話式のスケーラブルな可視化ツールを含む、大量のデータのためのデータ抽出、 解析、集積アルゴリズムを改良し創造すること ・ペタスケールシステムに相応しい革新的なモデリング、シミュレーション、 最適化などのアルゴリズムを開発すること ・ペタスケールシステムを用いて最先端の科学的問題を解決するための プラットフォームに依存しないソフトウェアを開発すること ・特定のペタスケールのハードウェア、あるいは最も確からしいと予測される 将来のハードウェアのためにソフトウェアを最適化すること ・ハードウェアの能力の制限のために以前は実行可能でないと考えられてきた、 革新的な計算技法を探索すること ・非常に多く使われているがスケーラビリィティー、ボトルネック、最適化を解析される ことのなかったソフトウェアの性能解析を実施し、輪郭を作成すること ・現在機能している問題解決手法を、非常に大規模なスケールの計算機システムにより 有効にスケールすることが情報科学研究で知られているアルゴリズムに置き換える ことによって変更すること ・現在スーパーコンピュータでMPIを用いている研究用のコードを、特定のペタスケール の問題に有効な形でCo-Array Fortran, UPC あるいはTitanium の一つあるいは それ以上に適合させること 次世代スパコンプロジェクトがもたらす変革 • 必要が認識されながら進展しなかった課題の推進 - ソフトウエアの開発、普及、管理 - 計算科学の教育・人材育成 - 計算科学と計算機科学の密接な連携 • 「計算科学」が「道具」ではなく、より主体的なものと して、概念と実体を本質的に変える必要がある。 佐藤三久先生の「学際計算科学」 個々の分野のコミュニティーの組織化 分野間のコミュニティーの交流
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