高性能並列プログラミング言語XcalableMPの紹介

はじめに

現在の京を中核とするHPCIにおけるスーパーコンピュータやPCクラスタでは、CPUに多くの計算コアを搭載しています。今後もこの計算コア数は増大する傾向にあり、ポスト「京」と呼ば れる次世代スーパーコンピュータにおいては、その数はこれまでと比較して膨大なものになることが予想されています。このような大規模並列計算機システムでプログラムの並列化にMPIを用いると、並列化は複雑化しそれに伴いプログラミングコストが高くなり、最終的にはプログラムの 生産性や性能が低下するといった問題が発生します。
そこでこのような問題を解決するために、高性能で且つ扱いやすさを目指した新たな並列プロ グラミング言語として、PGAS言語XcalableMP(XMP)の研究・開発が進められているます。

XcalableMPとは

XMPの研究・開発の現状についてRISTニュースにまとめたので、ご紹介いたします。

RISTニュース No.62 (2017)

性能並列プログラミング言語XcalableMPの紹介 (Introduction of a PGAS paralel programming language XcalableMP)
一般財団法人 高度情報科学技術研究機構  原山 卓也、井上 孝洋、手島 正吾

国立研究開発法人 理化学研究所計算科学研究機構 村井  均

 

 

 

 

連絡先

原山 卓也 harayama@rist.or.jp

センターオブイノベーション(COI)・アクアイノベーション拠点・信州大学「複合水処理膜のシミュレーション」

1.COIプロジェクトとは

文部科学省は平成25年度、「革新的イノベーション創出プログラム(COI STREAM)」において、10年後の社会で想定されるニーズを検討し、そこから導き出されるあるべき社会の姿、暮らしのあり方(以下、「ビジョン」という。)を設定しました。JSTではこのビジョンを基に、10年後を見通した革新的な研究開発課題を特定し、既存の分野や組織の壁を取り払い、企業や大学だけでは実現できない革新的なイノベーションを産学連携で実現するとともに、革新的なイノベーションを連続的に創出する「イノベーションプラットフォーム」を我が国に整備することを目的として、基礎研究段階から実用化を目指した産学連携によるセンターオブイノベーション(COI)プログラムによる研究開発を開始しました。ハイリスクではあるものの実用化の期待が大きい異分野融合・連携型の基盤的テーマに対して、集中的な支援を行われ、我が国が、今後国際的な競争の中で生き残り、経済再生を果たしていくためには、革新的なイノベーションを次々に生み出していくことが期待されます。

平成25年10月、信州大学が中心に共同提案した「世界の豊かな生活環境と地球規模の持続可能性に貢献するアクア・イノベーション拠点」構想が、文部科学省と科学技術振興機構の「革新的イノベーション創出プログラム(COI STREAM)」の中核拠点として選定されました。中核拠点では、オールジャパンの研究開発体制で海水や油を含む水などから安全で安心な水をつくる革新的な「造水・水循環システム」の実用化を目指して研究が進められています。RISTはスーパーコンピューターを利用した計算機シミュレーションにより、信州大学の研究リーダ遠藤守信特別特任教授のグループが合成した水処理膜の構造モデル、透水性、脱塩性能の解析を実施し、水処理膜のメカニズムを理解し実験グループと性能向上に取り組んでおります。プロジェクトでは、「革新的な水処理膜の設計・合成」、「モジュール化」、「システム化」と3つのPHASEに分けて研究開発を進め、最終的に高度な造水・水循環システムの社会実装を実現することにより、世界規模の水不足の課題を克服することが目的です。

本研究の成果により、海水・汚れた水から安価に継続して清潔な水を手にすることが世界中で可能となり、人類の生命を守り生活向上を維持し、持続可能な社会を構築することに繋がります。

2.世界の水事情について

このプロジェクトの背景には世界各地で発生している深刻な水不足にあります。水に関する世界的な課題として(1)世界で11億人余りが安全な飲料水にアクセスできず、また農業水が十分に確保されない等で9億人余が食料不足にさらされている、(2)経済発展に必要な工業用水や資源開発用水の確保に加えて、資源算出時の排水処理や水汚染問題は国際的な環境課題であり循環して利用する新技術が求められている、(3)世界的に見ると水が偏在化しているが、それ以上に人口の偏在化も起こっており、需要と供給のバランスがとれておらず、「水の危機」が問題視されている、(4)水不足を補う水源として、海水・かん水等が注目されているが、海水・かん水の淡水化等の造水においては、低コスト化、省エネ化が普及を阻害している、(5)かん水、海水等には有用資源も含まれており水圏有用資源の採取が不十分となっている、などがあげられる。

世界的な水不足を解消するために注目したのが、海水、随伴水、かん水という3つの水源で、これらはすべて塩分をとり除く技術に集約されるため、脱塩のためのテクノロジーが革新的な水処理膜開発には必要です。

3.水処理膜について

半透膜と呼ばれる膜をはさんで淡水と海水を入れておくと、塩分濃度が低い淡水側から塩分濃度が高い海水側へ水が膜を介して移動し、両サイドで水位差(浸透圧)が生じます(図1左)。半透膜にはおおよそ1〜2nmのサイズの細孔があるために、水分子だけを選択的に透過します(図1右)。海水側にこの浸透圧以上の圧力をかけると、今度は海水側から淡水側へ水が移動する逆浸透現象が生じます。この機能を水処理に応用したのが逆浸透膜です。

図 1. 水処理膜の機能の概念図

 

例えば塩分3.5%を含む海水の浸透圧は28.3気圧なので、28.3気圧以上の圧力を海水側にかければ淡水側に水は浸透します。海水の半分の量を淡水にする場合、海水は最終的に塩分7%まで濃縮されますから、56.6気圧程度の圧力を掛ける必要があります。

海水を淡水に処理する水処理膜の性質をもつ高分子素材として、ナイロン膜、芳香族ポリアミド膜があり、工業的には芳香族ポリアミド膜を逆浸透膜として利用する方法が広く使われています。

しかし、多量の海水を処理すると、海水に含まれるプランクトンなど死骸が水処理膜の細孔に入り込み(ファウリング)、透水性が低下し、さらにこの汚物を次亜塩素酸で洗浄すると膜の細孔構造を破壊し、脱塩率悪化を引き起こし性能低下を引き起こすことが課題となっています。

4. 信州大学におけるロバストカーボン複合水処理膜の研究開発

信州大学では実験技術と大規模シミュレーションの連携により、耐久性の優れたロバストな構造なカーボン材料からなる複合水処理膜の開発に取り組んでいます。その結果、芳香族系ポリアミドにカーボンナノチューブ(CNT)を分散させて革新的な水処理膜:CNTポリアミド複合膜を開発しました。多量のCNTをポリアミド膜に分散する実験技術は信州大学固有な技術で世界で初めて成功しました(論文1)。

さらに、実験データをもとにした膜の原子構造データ構築し、これらの膜がなぜ水・イオン分離機能に優れているかを、膜と水・イオンとの原子間相互作用に基づく分子動力学法により膜の耐久性、透水性、耐塩素性、ファウリングなどを計算機シミュレーションにより水処理メカニズムを微視的に把握することにも成功しました(論文2)。シミュレーションの結果を図2に示します。CNTが内部に存在する場合でも従来のポリアミド膜単体の水の拡散係数に近い値を得ました。これはCNTが水の拡散を大きく阻害しないことを意味します。CNTの一番大きな影響は、ポリアミド部分のフレキシブル性への影響であり、CNTが存在する場合にはポリアミド部分が動きにくくなっています。ポリアミド単体の場合、ポリアミドを構成する炭素は激しく動くのに対し、CNT複合膜の場合にはポリアミド部分は動きづらくなっており、このポリアミド部分の拡散の抑制が塩の除去率に影響すると考えられます。

図 2. CNT入りのポリアミド膜(左)と従来のポリアミド膜(右)の透水シミュレーション

図 3. CNT入りのポリアミド膜(上)と従来のポリアミド膜(下)の脱塩シミュレーション

実際に塩の侵入率をシミュレーションしたところ、CNT入りのポリアミド膜は塩が中に侵入しづらい結果となりました(図3参照)。

このような透水、脱塩シミュレーション以外にも、油分の吸着シミュレーションも行っています(論文3)。シミュレーションの結果を図3に示します。これは信州大学で開発した天然黒鉛から得られる膨張黒鉛(空隙の大きい黒鉛)を使った一次随伴水処を想定したシミュレーションで、油が選択的に膨張黒鉛に吸着する様子を再現しています。解析の結果、吸着のメカニズムは黒鉛(グラフェン)と油分子の間のファンデルワールス力だけでなく、油分子を水/黒鉛界面に押し出す疎水性の性質も大きく寄与していることが分かりました。

図 4 油滴が選択的に膨張黒鉛に吸着する様子

 革新的材料のメカニズムをシミュレーションで微視的に把握することは科学的に十分な意義があります。

スーパーコンピューター利用について

これらの計算結果は、主に「信州大学のスパコン」と「海洋研究開発機構の地球シミュレータ」を利用して得られました。

(1) 信州大学がCOIのために購入したスーパーコンピューターの仕様

計算機  PRIMERGY RX200 S8  「PRIMEHPC FX10」
計算ノード数  16  12
理論演算性能  6.758 T Flops  2.5 T Flops
総メモリ容量  4TB  384GB

(2)「地球シミュレータ公募課題」に採択され、大規模シミュレーションを実施しています。

 

課題名 大規模シミュレーションを用いた革新的ロバスト炭素膜による水処理機構に関する研究
課題責任者 遠藤守信 信州大学
実施メンバー 手島正吾、荒木拓海、他

平成27年度

平成28年度

 

平成27年度 地球シミュレータ利用報告会 ポスター発表資料

 

本研究に関連した論文、プレス発表

論文1.タイトル:High-performance multi-functional reverse osmosis membranes obtained by carbon nanotube·polyamide nanocomposite、著者:Shigeki Inukai, Rodolfo Cruz-Silva, Josue Ortiz-Medina, Aaron Morelos-Gomez, Kenji Takeuchi, Takuya Hayashi, Akihiko Tanioka, Takumi Araki, Syogo Tejima, Toru Noguchi, Mauricio Terrones, and Morinobu Endo、雑誌: Scientific Reports 2015, 5, 13562

ニュースリリース:「カーボンナノチューブ・ポリアミドのナノ複合膜による高性能、多機能性逆浸透(RO)膜の開発に成功」(2015年9月8日)

論文2.タイトル:Molecular Dynamics Study of Carbon Nanotubes/Polyamide Reverse Osmosis Membranes: Polymerization, Structure, and Hydration, 著者: Takumi Araki, Rodolfo Cruz-Silva, Syogo Tejima, Kenji Takeuchi, Takuya Hayashi, Shigeki Inukai, Toru Nogushi, Akihiko Tanioka, Takeyuki Kawaguchi, Mauricio Terrones and Morinobu Endo 雑誌:Applied Material & Interfaces, 2015, 7, 24566

ニュースリリース:「カーボンナノチューブ(CNT)とポリアミド(PA)の複合RO膜の分子動力学に関する研究~本学スパコンを活用した革新的なRO膜科学への展開~」(2015年11月18日)

論文3. タイトル:Oil sorption by exfoliated graphite from dilute oil–water emulsion for practical applications in produced water treatments、著者:Kenji Takeuchi, Masatsugu Fujishige, Hidenori Kitazawa, Noboru Akuzawa, Josue Ortiz Medina, Aaron Morelos-Gomez, Rodolfo Cruz-Silva, Takumi Araki, Takuya Hayashi, Mauricio Terrones, Morinobu Endo, 雑誌:Journal of Water Process Engineering 8, 91-98(2015)

ニュースリリース:「膨張黒鉛(EG)による随伴水一次処理法の開発~環境影響が少ない資源採掘に前進~」(2015年10月16日)

連絡先

手島正吾 tejima@rist.or.jp

ナノカーボン構造の生成過程の研究

グラフェンやカーボンナノチューブは、電子の移動度が非常に高いことや構造的に極めて強靭であるなど際立った特徴を持っており、様々な場面での活用が期待されています。しかし、その生産方法は未だ発展途上にあり、今後より高品質、大サイズのものを安定的に得られるようになるためには詳細な成長機構の理解が必要となってきます。そこで私は、主に第一原理電子状態計算を用いて、これら炭素関連物質について原子一つ一つを追った詳細な成長機構解析を行っています。例えばグラフェンを得る方法の一つとして、シリコンカーバイド(SiC)基板表面からシリコン原子を熱脱離させ、その後に残った炭素原子がエピタキシャルグラフェンになる方法がありますが、このメカニズムを、大規模計算機を用いた1000原子規模の第一原理分子動力学計算によって直接的に理解しようとしています。(11-2n)ファセットと(0001)テラスを持つSiC基板をコンピュータ上で再現し、そこから意図的にシリコン原子を抜きながら高温の分子動力学シミュレーションを行いました。図1はシミュレーション前後のSiC表面を模式的に描いたもので、表面が削られていく様子をイメージしています。この条件下でシミュレーションを進めて行くと、図2のようにもともとSiC内にあった炭素(黄)が余り、炭素―炭素ネットワーク(赤)を形成しグラフェンの前段階となる小さな員環構造を作り始めていることが分かります。

図1. SiC基板表面のイメージ。シミュレーション中は、(11-2n)ファセットから徐々にSi原子を抜いていっているため、この面が後退し、それに伴って(0001)テラスの位置も移動している。

図2. ある程度分子動力学シミュレーションが進んだ後のSiC表面の様子。青はシリコン原子、黄は炭素原子を、そして赤は炭素-炭素結合を持つ炭素原子を指す。

また上記のSiC基板上でのグラフェン成長機構解析の他にも、素材メーカ、鉄鋼メーカ、電線メーカなどの研究者の方々から物性物理にまつわる様々な最前線の実験結果をお持ちいただき、共同(受託)研究というかたちで理論面からの現象の理解を担当しております。

1. “Structural Stability and Electronic Structures of a Curved Graphene Sheet on Stepped SiC(0001) Surface”, Youky Ono, Jun Nara, and Takahisa Ohno, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 85, No.3, pp.034707, 2016.

2. “Stability Study of Ring-like Sheet of Ag Atoms Wrapping a CNT”, Katsumi Hagita, Youky Ono, and Syogo Tejima, Journal of the Chinese Chemical Society, Vol. 63, pp.***, 2016. (accepted)

3. “Contribution analysis of the van der Waals term on electronic structures of carbon related systems”, Youky Ono and Takahisa Ohno, Applied Surface Science, Vol. 267, No.15, pp.173, 2013.

4. “Van der Waals Interactions for Isolated Systems Calculated Using Density Functional Theory within Plasmon-Pole Approximation”, Youky Ono, Koichi Kusakabe, and Takashi Nakayama, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 79, No.7, pp.074701, 2010.

5. “Conduction properties of a distorted buckled carbon nanotube in the vibrational normal mode” Youky Ono, Nobuhiro Kusuno, Koichi Kusakabe and Naoshi Suzuki, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.48, pp.045001, 2009.

6. “The Effects of Encapsulated Fullerene on Dynamical Properties of a Peapod”, Yuuki Ono, Koichi Kusakabe and Naoshi Suzuki, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 74, No.2, pp. 626-630, February, 2005.

7. “Theoretical study of vibrational normal modes of fullerene encapsulated nanotubes”, Yuuki Ono, Koichi Kusakabe and Naoshi Suzuki, Proceedings of the 9th Asia Pacific Physics Conference (9th APPC), Globe Publishing House, Hanoi, Vietnam, October 25-31, 2004.

連絡先

手島正吾 tejima@rist.or.jp

雲解像モデルによる大規模シミュレーションの研究

雲解像モデルによる大規模シミュレーションの研究

地球シミュレータを用いて、気象の大規模シミュレーションを行っています。一般に気象モデルはa)地球の全域を計算領域とする全球モデルとb)限られた地域を詳細に計算するための領域モデルに大別されます。全球モデルは計算量を節約するため静力学平衡を仮定し、計算量の大きな雲の物理的過程もパラメタライズされています。他方、領域モデルは雲の物理過程が比較的詳細に表現されており、また大気の運動も非静力学的に表現されていることが一般的です。従来の計算資源では、領域モデルの計算範囲は大きくても一辺数千キロメートルでしたが、地球シミュレータの計算能力によってほぼ地球全域を覆う計算が可能になりました。

図1

本研究では、図1に示すように地球を取り巻く南緯45°から北緯45°までの領域を計算対象とし、水平解像度5kmで計算を行っています。計算負荷の大きい領域モデルを用いた、これほど広い領域の計算は世界でもほとんど例をみないものです。

以下に示す図は、水惑星を用いた10日積分後の計算結果です。図2は降水量の瞬間値です。気象衛星で得られるような赤道の降水域がよく再現されています。

図2                                        図3

図3は計算領域の一部を拡大して気圧と風を示したものです。図4は経度平均した南北方向の質量輸送です。高度12~13kmでの高緯度側への質量輸送はハドレー循環と呼ばれるもので、従来のシミュレーションでも再現されていました。一方、高度5~6kmでの高緯度側への質量輸送は、近年熱帯域の詳細な観測によって明らかにされてきたもので、従来のシミュレーションでは明確には再現されなかった現象です。

図4

連絡先 荒川 隆 arakawa@rist.or.jp

地球シミュレータ公募課題「カーボンナノチューブの特性に関する大規模シミュレーション」

コンソーシアム「カーボンナノチューブ研究会」のメンバーにより、地球シミュレータ公募課題「プロジェクト名: カーボンナノチューブの特性に関する大規模シミュレーション(Large-scale Simulation on the Properties of Carbon-nanotube)」のもとで、2002~2012年の10年間に渡り、ナノカーボン材料の大規模シミュレーションを実施してきました。ご興味のある方は、以下の、地球シミュレーション「報告会資料」、「マニュアルレポート」を御覧ください。

「地球シミュレータ利用報告会 」発表資料

21-nakamurasのサムネイル平成24年度
19-tejimaのサムネイル平成23年度
17-tejima-minのサムネイル平成22年度
17-tejima-minのサムネイル平成21年度
20-tejimaのサムネイル平成20年度
21_minamiのサムネイル平成19年度
40_minamiのサムネイル平成18年度
31_minami-minのサムネイル平成17年度
228_minami-minのサムネイル平成16年度

 

Annual Report of the Earth Simulator Center
Large Scale Simulations for Carbon Nanotube

2012

Keywords: Large scale simulation, ab-initio theory, Time-dependent DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes, Graphene, photoelectric material

 

 

 

 

 

2011

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, Time-dependent DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes, Graphene, Mackay crystal, solar cell, Green energy, quantum electronic transport, photoelectric material

 

 

 

 

2010のサムネイル2010

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, Time-dependent DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes, Graphene, Mackay crystal, solar cell, Green energy, quantum electronic transport, photoelectric material

 

 

 

 

2009のサムネイル2009

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, solar cell, photoelectric material

 

 

 

 

2008のサムネイル2008

Keywords: Large  scale  simulation,  TB  theory,  ab  initio  theory,  DFT,  Carbon  Nanotube,  Fullerenes,  GSW,  CNT  growth, Hydrogen storage, Hole-doped Diamond superconductor

 

 

 

 

2007のサムネイル2007

Keywords:Large  scale  simulation,  TB  theory,  ab  initio  theory,  DFT,  Carbon  Nanotube,  Fullerenes,  GSW,  CNT  growth,
Hydrogen storage, Hole-doped Diamond superconductor

 

 

 

 

2006のサムネイル2006

Keywords:  Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes
GSW, Hole-doped Diamond superconductor

 

 

 

 

2005のサムネイル2005

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes

 

 

 

 

2004のサムネイル2004

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, DFT, Carbon Nanotube, Fullerenes

 

 

 

 

2003のサムネイル 2003

Keywords: Large  scale  simulation,  TB  theory,  ab  initio theory,  DFT,  Carbon  Nanotube,  Nano  Diamond,  Mechanical Properties

 

 

 

 

2002のサムネイル2002

Keywords: Large scale simulation, TB theory, ab initio theory, DFT, Carbon Nanotube, Nano Diamond

 

 

 

 

 

 

連絡先

手島正吾 tejima@rist.or.jp