宇宙分野における サイエンスロードマップ 筑波大学 計算科学研究センター 梅村雅之 ”京”スーパーコンピュータ 2011年6月20日，世界最高速を達成 「HPCI戦略プログラム」 分野５「物質と宇宙の起源と構造」（素核宇宙分野） 672筐体（CPU数68,544個）構成で 8.162ペタフロップス（毎秒8,162兆回の浮動小数点演算数）を達成 HPCI将来計画－エクサスケールコンピューティング （ポスト京コンピュータ） 国（文科省） (社)HPCIC 社員総会 U 13 S 20 A 07 HPCI計画推進委員会（土居委員長） 今後のHPCI技術の研究開発の 検討WG（土居主査） HPCI構築事業 アプリ作業部会 アーキテクチャ...作業部会 システム運用 (NII・東大・AICS) 利用促進(RIST) 今後のHPCI計画推進のあり方に 関する検討WG（小柳主査） 運営企画・調整 (AICS) 共通運用システム 整備(東大・...) 将来のHPCIシステムのあり方の 調査研究（FSチーム×4） 協力 連携 理事会 （宇川理事長） 将来のスーパー コンピューティングの 在り方に関する調査検討WG 将来のスーパー コンピューティングの体制の 在り方に関する調査検討WG HPCコミュニティ 京，9大学センター，独法センター 戦略プログラム，大学・国研，学会，... from 中島WG 将来のＨＰＣＩシステムのあり方の調査研究 システム 筑波大 佐藤 三久（筑波大学計算科学研究センター センター長） 東大 石川 裕（東京大学大学院情報理工学系研究科 教授） 東北大 小林 広明（東北大学サイバーサイエンスセンター センター長） アプリ AICS 富田 浩文（理化学研究所計算科学研究機構 チームリーダー） エクサスケール白書（サイエンスロードマップ）の作成 宇宙分野におけるサイエンスロードマップ（サマリ） １）宇宙史の探究 ２０世紀に確立したダークマターとダークエネルギーが支配する宇宙像の中で，天体形成・構造形成の宇宙史を解明 する。 【研究テーマ】 第一世代天体，宇宙暗黒時代，宇宙再電離，星形成，銀河形成， 巨大ブラックホール形成，宇宙構造形成 【連携】天体の形成・進化で，素粒子，原子核分野と連携。物質の生成で分野２と連携。数値流体力学，衝撃波，乱流， プラズマで，分野４と連携。 ２）新たな物理の探究 物理法則の根幹に関わる宇宙現象の探究による物理学フロンティアの開拓。未解決の高エネルギー現象，および ダークマター，ダークエネルギーの探究。 【研究テーマ】ガンマ線バースト，超新星，超高エネルギー宇宙線，ダークマター， ダークエネルギー 【連携】物理素過程で，素粒子，原子核と連携。粒子加速で，分野４（プラズマ）と連携。 ３）惑星形成と宇宙生物学の探究 我々が住む太陽系の成り立ちと生命の起源，太陽系外惑星形成過程，第2の地球の探究。 【研究テーマ】惑星系形成史（イトカワなど），地球・惑星形成，惑星表層環境, Ｌ型アミノ酸の起源（隕石） 【連携】惑星形成で地球惑星科学分野と連携。宇宙における有機物質生成の量子力学過程で分野１，分野２と連携。 ４）宇宙環境学の推進 通信衛星，宇宙ステーション，惑星探査機等によって，人類の活動場所は，地上から宇宙空間へ拡大している。これ らが，正確かつ安全に機能するためには，太陽活動現象とともに変化する太陽系の環境科学の推進（宇宙防災）が不 可欠になる。 【研究テーマ】 太陽ダイナモ，太陽フレア（リコネクション），太陽風（無衝突衝撃波） 【連携】宇宙天気予報，人工衛星，スペースデブリ，などで分野３と連携。太陽風と宇宙天気予報で分野４（プラズマ）と 連携。 【執筆者・協力者】 梅村雅之（責任者，筑波大学），石山 智明（筑波大学），岡本崇（筑波大学）， 草野完也（名古屋大学），柴田大（京都大学），庄司光男（筑波大学）， 関口雄一郎（京都大学），滝脇知也（国立天文台），富阪幸治（国立天文台）， 中本泰史（東京工業大学），星野真弘（東京大学），長谷川賢二（筑波大学）， 牧野淳一郎（東京工業大学），松元亮治（千葉大学），松本洋介（千葉大学）， 三上隼人（千葉大学），横山央明（東京大学），吉川耕司（筑波大学）， 吉田直紀（東京大学） 宇宙生命計算科学連携拠点 －宇宙，生命，惑星計算科学連携による宇宙における生命起源の探究－ 専用シミュレータ 宇宙観測 計算宇宙 系外惑星 星間分子・ダスト 星・惑星形成 星間分子 生物学 東京工業大学 地球生命研究所 （ELSI） 連携 計算生命 アミノ酸 光合成 計算機工学 演算加速器開発 アーキテクチャ ネットワーク 理工連携 惑星大気 構造 生命 起源 惑星生命 科学 計算惑星 連携 神戸大学 惑星科学研究センター （CPS） 惑星大気 生命科学 惑星科学 光不斉化実験 光合成実験 惑星大気観測 隕石実験 中核拠点 拠点A 拠点B 拠点C 拠点D 国際連携 アメリカ スイス オーストラリア イタリア 平成２４年度 日本学術会議 天文学・宇宙物理学分科会 中規模計画提案 平成２４年１１月３０日 計画名 宇宙生命計算科学連携拠点 計画代表者氏名 梅村 雅之 代表者所属研究機関・部局 筑波大学・数理物質系（計算科学研究センター） 連携組織 東京工業大学 地球生命研究所（ELSI） 神戸大学 惑星科学研究センター（CPS） 共同提案者（参加協力者） [氏名，職，所属，専門分野] 天文・宇宙分野 牧野 淳一郎 小久保 英一郎 富阪 幸治 松元 亮治 森 正夫 中本 泰史 松本 倫明 町田 正博 相川 祐理 教授 教授 教授 教授 准教授 准教授 教授 准教授 准教授 東京工業大学大学院 理工学研究科 理学研究流動機構 国立天文台 理論研究部 国立天文台 理論研究部 千葉大学大学院 理学研究科 筑波大学 数理物質系 物理学域／計算科学研究センター 東京工業大学大学院 理工学研究科 地球惑星科学専攻 法政大学 人間環境学部 九州大学大学院 理学研究院 地球惑星科学部門 神戸大学大学院 理学研究科 地球惑星科学専攻 計算宇宙物理 惑星系形成 シミュレーション天文学 宇宙物理学 計算宇宙物理 天文学・惑星科学 天体物理学 星・惑星形成 星・惑星系形成 白石 賢二 矢花 一浩 岡田 晋 庄司 光男 神谷 克政 栢沼 愛 中野 雅由 重田 育照 岸 亮平 小林 憲正 高橋 淳一 篠島 弘幸 高須 昌子 平田 聡 Boero Mauro 教授 教授 准教授 助教 助教 助教 教授 准教授 助教 教授 教授 教授 教授 教授 筑波大学 数理物質系 物理学域／計算科学研究センター 物質・生命 筑波大学 数理物質系 物理学域／計算科学研究センター 計算物質 筑波大学 数理物質系 物理学域／計算科学研究センター 計算物質 筑波大学 数理物質系 物理学域／計算科学研究センター 計算生命 筑波大学 数理物質系 物理学域 計算物質 筑波大学 計算科学研究センター 計算生命 大阪大学 基礎工学部 計算物質・生命 大阪大学 基礎工学部 計算物質・生命 大阪大学 基礎工学部 計算物質・生命 横浜国立大学大学院 工学研究院 宇宙生命科学 NTT先端技術総合研究所 生命科学 久留米高専 一般科目（理科系） 光ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ・計算物理 東京薬科大学 生命科学部 生命科学 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校化学科 理論化学 IPCMS - Departement de Chimie et des Materiaux Inorganiques (DCMI) 計算物質・生命 井田 茂 中川 義次 林 祥介 高橋 芳幸 生駒 大洋 河原 創 倉本 圭 石渡 正樹 小高 正嗣 教授 教授 教授 助教 准教授 助教 教授 准教授 助教 東京工業大学大学院 理工学研究科 地球惑星科学専攻 神戸大学大学院 理学研究科 地球惑星科学専攻 神戸大学大学院 理学研究科 地球惑星科学専攻 神戸大学大学院 理学研究科 地球惑星科学専攻 東京大学大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻 東京大学大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻 北海道大学大学院 理学研究院 宇宙理学専攻 北海道大学大学院 理学研究院 宇宙理学専攻 北海道大学大学院 理学研究院 宇宙理学専攻 惑星物理学 惑星形成論 地球惑星科学 地球惑星科学 惑星科学 地球惑星科学 惑星科学・惑星大気 気候力学, 惑星流体力学 惑星気象学 佐藤 三久 朴 泰祐 児玉 祐悦 高橋 大介 塙 敏博 中里直人 教授 教授 教授 教授 准教授 准教授 筑波大学 システム情報系／計算科学研究センター 筑波大学 システム情報系／計算科学研究センター 筑波大学 システム情報系／計算科学研究センター 筑波大学 システム情報系／計算科学研究センター 筑波大学 システム情報系／計算科学研究センター 会津大学 コンピュータ理工学部 計算機工学 計算機工学 計算機工学 計算機工学 計算機工学 計算天文学／HPC 生命・物質分野 惑星科学分野 計算機工学分野 宇宙生命計算科学 宇宙物理 宇宙分野，生命分野の連携 生命物理 背景と特色： 星間生命材料分子の観測，系外惑星観測，アストロバイオロジーの取り組みにより，宇宙における生命起源探究の機運は急速に 高まってきている。計算科学の宇宙分野と生命分野が密に連携して，第一原理計算により宇宙生命起源を探究する。 探究課題１：生物L型アミノ酸の宇宙起源説の検証 探究課題２：系外惑星における生命発生過程の探究 星間アミノ酸の円偏光波による不斉化 系外惑星における光合成とバイオマーカー 現状：円偏光波によるアミノ酸の電子励起状態の量子力学計算（0.1PFlops） 目標：円偏光波によるアミノ酸・アミノ酸前駆体の陽子・電子量子ダイナミクス 計算（10PFlops） 現状：電気双極子近似による光合成アンテナ機構の量子計算（0.1PFlops） 目標： クロロフィル・ダイナミクスを入れた光合成アンテナ機構のQM/MM 計算（10PFlops） クロロフィルTDDFT計算 46億年前 原始太陽系誕生 現状 クロロフィル・ダイナミクス QM/MM計算 目標 ダスト UV 高分子 電気双極子近似 円偏光 鏡像異性体過剰 アミノ酸 隕石生成 飛来 地 球 現在 電子励起 状態 現状 陽子・電子 ダイナミクス 目標 系外ハビタブルプラネット候補 【参加協力者（共同提案者）案】 （敬称略） ◆天文・宇宙： 梅村（筑波大），森（筑波大），牧野（東工大），松元（千葉大），小久保（国立天文台）， 富阪（国立天文台），中本（東工大），町田（九大），松本（法政大），相川（神戸大） ◆生命・物質： 白石（筑波大），矢花（筑波大），岡田（筑波大），庄司（筑波大），神谷（筑波大），栢沼（筑波大）， 梅田（筑波大），中野（阪大），重田（阪大），岸（阪大），高須（東京薬科大），M. Boerro（IPCMS）， 平田（イリノイ大），小林（横国大），高橋（NTT先端総研），中川（神戸大） ◆惑星 井田（東工大），中川（神戸大），林（神戸大），高橋生駒（東大），河原（東大），阿部（東大） ， 倉本（北大），石渡（北大），小高（北大） ◆計算機工学 佐藤（筑波大），朴（筑波大），児玉（筑波大），高橋（筑波大），塙（筑波大），中里（会津大） 【連携組織】 東京工業大学 「地球生命研究所」（ELSI） 神戸大学 「惑星科学研究センター」（CPS） 【協力支援団体？】 理論天文学・宇宙物理学懇談会 宇宙生命計算科学連携拠点 －宇宙，生命，惑星計算科学連携による宇宙における生命起源の探究－ 目的： 計算機工学分野との連携の下，専用シミュレータを開発し，宇宙における生命の起源に関わ るキープロセスを宇宙・生命・惑星科学の協働によって第一原理計算により探究し，宇宙生命科学 のブレークスルーを創出する。 背景と特色： 星間分子観測，系外惑星観測，アストロバイオロジーの取り組みにより，宇宙におけ る生命起源探究の機運は急速に高まってきている。本拠点は，計算科学のアプローチの下で，宇 宙分野と生命分野の協働なくしては探究できない融合領域を創出するものである。 中規模計画の必要性： 宇宙分野と生命分野が密に連携して，計算科学により宇宙生命起源を探 究する拠点はまだない。本計画は，中核拠点と複数の大学や研究所にまたがる拠点を形成するも のであり，１大学に閉じる計画ではない。また，教員配置とシミュレータ製作を合せた予算額は８０ 億円規模となる。 組織： 中核拠点を置き，大学拠点，研究所拠点に特任教員を配置し，共同研究推進体制を作る。 また，国内共同利用ならびに国際共同研究拠点とする。 探究課題： 星間分子生物学（星間アミノ酸の円偏光波による不斉化，アミノ酸前駆体からアミノ酸の生成過程） 惑星生命科学（系外惑星における光合成とバイオマーカー，惑星大気化学構造） 星・惑星形成（星形成，惑星形成，惑星大気形成，星間ダストの起源，星間分子化学） エクサスケール・コンピューティングに向けた パネルディスカッション 将来のスーパーコンピューティングの在り方に関する調査検討WG 中島浩（WG主査、京都大学） 高木亮治（WG委員、JAXA） 朴泰祐（WG委員、筑波大学） 宇宙分野パネリスト 中村文隆（国立天文台） 小久保英一郎（国立天文台） 斎藤貴之（東工大） 大須賀健（国立天文台） 関口雄一郎（京大） 横山央明（東大） 宇宙分野のエクサスケール・コンピューティング ① サイエンスロードマップ グランドチャレンジ ② アルゴリズム＆計算規模 Ｎ体，流体，輻射，一般相対論，プラズマ etc ③ 計算機アーキテクチャ アクセラレータ（e.g. GRAPE’s, GPU’s） Many core ④ 体制 並列： ＡＭＲ，独立時間，many step（レイテンシ－），陰解法 アクセラレータ： GRAPE/SIMD メモリー／キャッシュ 我が国の計算科学技術推進体制等の検討に関するアンケート 【質問１】当面の計算資源のあり方として、ピラミッド型の計算資源構造の維持、拡充に より、我が国の計算科学技術振興を図るという考え方につきまして、論点１，２の考え 方も含め、その是非をお聞かせください。非とした場合は、その理由及び可能であれば 代案をお示しください 【論点１】計算資源整備の考え方 我が国の計算科学技術振興のためには、世界トップの性能維持よりも様々な利用方法に最適化 された中小規模の計算能力を有する計算機を数多く配置すべきとの考え方もあります。ここでは、 圧倒的な性能を有する最先端マシンによって計算科学技術における様々な成果を先導し、その アーキテクチャーを第２階層以下の計算機が追従することにより、より多くの利用者に安定的な シミュレーション環境が整うことが適当という案となっています。さらに、ＨＰＣＩシステムの充実に よってこのピラミッド型の計算資源構造の維持、拡充を図り、計算科学技術振興の裾野を拡げる ことも可能と考えた次第です。 【論点２】将来に向けた計算資源の考え方 将来的な体制のあり方としては、大学の情報基盤センターや附置研、独法センターの連携等をさ らに推進し、複数の世界トップレベルの性能を有するシステム構成を頂点とする案も検討に値す ると考えていますが、今回は、直近の次期システムを含めて１０年程度までを見越した計算資源 のあり方についての考え方を提示しています。 【質問２－１】頂点に立つシステムの開発、設置、運用拠点に求める能力や体制のあり 方や国費投入のあり方につきまして、その是非をお聞かせください。 【質問２-２】頂点のシステムを補完するシステムの開発、設置、運用拠点に求める能力 や体制のあり方につきまして、論点１，２の考え方も含め、その是非をお聞かせくださ い。 【論点１】補完するシステム拠点の設定に関して 頂点に立つシステムを補完するシステムの拠点は、我が国の計算科学技術に関するコミュニ ティであるＨＰＣＩコンソーシアムの意見を踏まえ、国の戦略に基づいて公募され、適切な規模の 国費投入により開発・設置・運用されるものと考えます。 【論点２】補完するシステム拠点の強化に関して 頂点に立つシステムを補完するシステムについては、導入時期の違いと大学の情報基盤セン ターの連携などにより、稼働中の頂点に立つシステムの性能を凌駕するシステムが整備され， 広く利用に供される形態となる可能性もあります。 【質問３－１】将来の計算資源提供体制として、積極的な機関連携による提供資源の 拡充について、その是非をお聞かせください。非とした場合はその理由及び可能であ れば代案をお示しください（是とした場合も追加意見がありましたら記載願います）。 【質問３－２】上記以外に有効と思われる具体案がありましたら記載願います。 【質問３－３】既存機関の枠組みにとらわれない積極的な取組みに対して、国からの何 らかのサポートなど必要な制度設計がありましたら記載願います。 宇宙物理分野エクサスケール・サイエンス・ロードマップ 検討研究課題と到達目標 課題 研究テーマ 目標計算規模 計算法 ①ダークマター構造 1000兆体 Ｎ体計算（ツリー） ②星・銀河形成 1000億体 輻射流体計算（ツリー） 宇宙史の探究 新たな物理の探究 ③ガンマ線バーストとブ 10億格子 ラックホール形成 一般相対論計算 ④超新星爆発 2000億格子 相対論流体計算 ⑤惑星形成過程 １億体 衝突系多体計算 ⑥宇宙分子生物学 600万状態 量子力学計算 ⑦太陽風 200兆格子 ボルツマン計算 ⑧太陽活動 1兆格子 電磁流体計算 太陽系外惑星と宇宙生物学 宇宙環境学の推進 アクション・アイテム (1) コミュニティの意見集約 理論懇説明（９月天文学会） 趣旨説明 理論懇シンポ（１２月） ①理論コミュニティ意見集約 ②将来のスーパーコンピューティングの在り方に関する調査検討WGとの意見交換 2013年1月 天文学会の意見集約（tennet） 2013年3月 天文学会で最終確認 (2) ベンチマーク・コード作成 AICSが一般的なコードに改変してミニアプリを作る（HPC以外も含む） ミニアプリは完全公開 ・宇宙史 ・ガンマ線バースト（数値相対論）／超新星 ・惑星／生命 ・宇宙環境（プラズマ） それぞれ1本。フルアプリを提供か，ミニアプリ化して渡すかは，個別対応。 ２０１３年３月 ミニアプリ原案 ◆「京」コンピュータ推進課題ー①，②，③，④，⑧ ◆ GPU搭載計算機（HA-PACS）に実装－①，②，⑤，⑥ ◆エクサスケールFSのポイント ①Strong/Weak スケーリング ②粒度 → 主記憶サイズ 主記憶バンド幅 ローカルメモリ グローバルメモリ ネットワーク速度 ネットワークレイテンシ
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