去る3月28日、2022年度最後の研究員会議において、本年度末で定年を迎えられる3名の先生方を送る会が開催されました。
投稿者: 筑波大学計算科学研究センター
定年退職される先生方を送る研究員会議が開催されました
アミノ酸のホモキラリティ獲得の分子機構を解明〜量子化学計算で生命の起源を探る〜
2023年3月28日
国立大学法人筑波大学
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
概要
地球上の生物はアミノ酸を重要な構成要素としていますが、鏡像関係にある２つの異性体（L体とD体）のうち、L体のアミノ酸のみを使用しています（ホモキラリティ）。一方、アミノ酸を人工的に化学合成した場合では、L体とD体のアミノ酸はそれぞれ同じ量が生成されます。しかしながら、実験的検証が不足しており、地球上でなぜL体のアミノ酸が過剰に生成したのか、そのプロセスは明確にされていませんでした。
本問題に関連する有力な説として、アミノ酸は宇宙から隕石によって原始地球にもたらされたとする宇宙起源説が提唱されています。また、宇宙では円偏光が存在することから、L体に比べてD体が優先して分解されることでL体の過剰が生じる機構が考えられます。そこで本研究では、これまで不足していた実験データを高精度量子化学計算を用いて補完することで、アミノ酸のL体過剰が生成される分子機構を検証しました。
その結果、円偏光によるアミノ酸自体のL体過剰生成は弱いことが理論的に判明しました。アミノ酸生成の前駆体に対して同様の理論検証を行った結果、10-11電子ボルト(eV)の光領域において、L体過剰を強く引き起こすことが明らかになりました。この光領域には、銀河形成の初期に強く放射されるライマンアルファ輝線が存在します。さらにこの輝線は星間の塵（ダスト粒子）で散乱し、円偏光化されることが示されていることから、今回理論的に検証したアミノ酸前駆体によるホモキラリティ獲得機構は、生命の起源を解明する重要な手がかりになると期待されます。
掲載論文
- 【題名】
- Enantiomeric Excesses of Aminonitrile Precursors Determine the Homochirality of Amino Acids
（アミノ酸のホモキラリティはアミノニトリル前駆体の異性体過剰に起因する）
- 【掲載誌】
- The Journal of Physical Chemistry Letters
- 【DOI】
- 10.1021/acs.jpclett.2c03862
New Study Provides Novel Insights into the Cosmic Evolution of Amino Acids
Scientists perform computational simulations for biological molecules detected in meteorites to clarify the origin of life on Earth.
All biological amino acids on Earth appear exclusively in their left-handed form, but the reason underlying this observation is elusive. Recently, scientists from Japan uncovered new clues about the cosmic origin of this asymmetry. Based on the optical properties of amino acids found on the Murchison meteorite, they conducted physics-based simulations, revealing that the precursors to the biological amino acids may have determined the amino acid chirality during the early phase of galactic evolution.
If you look at your hands, you will notice that they are mirror images of each other. However, no matter how hard you try to flip and rotate one hand, you will never be able to superimpose it perfectly over the other. Many molecules have a similar property called “chirality,” which means that the “left-handed” (L) version of a molecule cannot be superimposed onto its “right-handed” (D) mirror image version. Even though both versions of a chiral molecule, called “enantiomers,” have the same chemical formula, the way they interact with other molecules, especially with other chiral molecules, can vary immensely.
Interestingly, one of the many mysteries surrounding the origin of life as we know it has to do with chirality. It turns out that biological amino acids (AAs)—the building blocks of proteins—on Earth appear only in one of their two possible enantiomeric forms, namely the L-form. However, if you synthesize AAs artificially, both L and D forms are produced in equal amounts. This suggests that, at some early point in the past, L-AAs must have come to dominate a hetero-chiral world. This phenomenon is known as “chiral symmetry breaking.”
Against this backdrop, a research team led by Assistant Professor Mitsuo Shoji from University of Tsukuba, Japan, conducted a study aimed at solving this mystery. As explained in their paper published in The Journal of Physical Chemistry Letters, the team sought to find evidence supporting the cosmic origin of the homochirality of AAs on Earth, as well as iron out some inconsistencies and contradictions in our previous understanding.
“The idea that homochirality may have originated in space was suggested after AAs were found in the Murchison meteorite that fell in Australia in 1969,” explains Dr. Shoji. Curiously enough, in the samples obtained from this meteorite, each of the L-enantiomers was more prevalent than its D-enantiomer counterpart. One popular explanation for this suggests that the asymmetry was induced by ultraviolet circularly polarized light (CPL) in the star-forming regions of our galaxy. Scientists verified that this type of radiation can, indeed, induce asymmetric photochemical reactions that, given enough time, would favor the production of L-AAs over D-AAs. However, the absorption properties of the AA isovaline are opposite to those of the other AAs, meaning that the UV-based explanation alone is either insufficient or incorrect.
Against this backdrop, Dr. Shoji’s team pursued an alternate hypothesis. Instead of far-UV radiation, they hypothesized that the chiral asymmetry was, in fact, induced specifically by the CP Lyman-α (Lyα) emission line, a spectral line of hydrogen atom that permeated the early Milky Way. Moreover, instead of focusing only on photoreactions in AAs, the researchers investigated the possibility of the chiral asymmetry starting in the precursors to the AAs, namely amino propanals (APs) and amino nitriles (ANs).
Through quantum mechanical calculations, the team analyzed Lyα-induced reactions for producing AAs along the chemical pathway adopted in Strecker synthesis. They then noted the ratios of L- to D-enantiomers of AAs, APs, and ANs at each step of the process.
The results showed that L-enantiomers of ANs are preferentially formed under right-handed CP (R-CP) Lyα irradiation, with their enantiomeric ratios matching those for the corresponding AAs. “Taken together, our findings suggest that ANs underlie the origin of the homochirality,” remarks Dr. Shoji. “More specifically, irradiating AN precursors with R-CP Lyα radiation lead to a higher ratio of L-enantiomers. The subsequent predominance of L-AAs is possible via reactions induced by water molecules and heat.”
The study thus brings us one step closer to understanding the complex history of our own biochemistry. The team emphasizes that more studies focused on ANs need to be conducted on future samples from asteroids and comets to validate their findings. “Further analyses and theoretical investigations of ANs and other prebiotic molecules related to sugars and nucleobases will provide new insights into the chemical evolution of molecules and, in turn, the origin of life,” concludes an optimistic Dr. Shoji.
Be sure to stay tuned as scientists continue to piece together this one grand puzzle called life!
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This study has been supported by research projects (1) JST, PRESTO grant number JPMJPR19G6, Japan, and (2) JSPS KAKENHI grant numbers 19H00697, 20H05453, 20H05088, 22H00347, and 22H04916. Computational resources were partially supported by Multidisciplinary Cooperative Research Program in CCS, University of Tsukuba. The authors also thank the HPC Center at the University of Strasbourg funded by the Equipex Equip@Meso project and the CPER Alsacalcul/Big Data and the Grand Equipement National de Calcul Intensif (GENCI) under allocations DARI A0120906092 and A0140906092.
Original Paper
- Title of original paper:
- Enantiomeric Excesses of Aminonitrile Precursors Determine the Homochirality of Amino Acids
- Journal:
- The Journal of Physical Chemistry Letters
- DOI:
- 10.1021/acs.jpclett.2c03862
Correspondence
Assistant Professor SHOJI Mitsuo
Center for Computational Sciences (CCS), University of Tsukuba
2023.03.28
Job opening of Assistant professor with a fixed term appointment (Deadline May 19th JST)
Division of Computational Informatics, Center for Computational Sciences (CCS), University of Tsukuba invites a full-time (non-tenured) faculty position as described below.
[Title]
Assistant professor with a fixed-term appointment
[Research field]
Database, data engineering, and big data technology
[Content of work]
The Database Group, Division of Computational Informatics, Center for Computational Sciences (CCS), University of Tsukuba, has been conducting a research project entitled “A Verifiable Data Ecosystem” as a part of JST CREST “Society 5.0 System Software” area. In this project, we study and develop a verifiable data ecosystem that supports data and its reliability/lineage and makes it possible to verify arbitrary data for system software in Society 5.0 in a collaboration of six research groups in five universities in Japan.
We invite applications from database and data engineering researchers, including big data and data mining, who are interested in doing research and development about the techniques for metadata management, including reliability and lineage, in this project.
[Starting date]
As soon as possible after a hiring decision is made (negotiable).
[Terms of employment]
Full-time, possible to renew annually on March 31 until 2027, upon evaluation of the progress. The annual salary will be determined based on the regulations of the University, taking into account the employee’s career.
[Qualifications]
An applicant needs to have a Doctoral Degree or Ph. D at the start of employment.
[Application materials]
(1) Curriculum Vitae (with a photograph and email address)
(2) List of research activities (The list must be categorized into refereed journals, refereed conferences/workshops, books, other presentations, patents, awards, and competitive research funds. List all authors of co-authored papers/books. For the five major papers (cf. item (6)), it is recommended to denote the impact factor, number of citations, acceptance rate, etc.)
(3) Summary of research activities (up to about 1000 words)
(4) Research plan after the appointment (up to about 1000 words)
(5) Contact information of two references (name, affiliation, and email address)
(6) Reprints of five major papers published within the last five years (one may be published earlier than five years.)
(7) Self-declaration on specific categories (the prescribed form can be downloaded from https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/ )
(8) Consent for the handling and extraterritorial transfer of personal data in accordance with the EU-General Data Protection Regulation (GDPR) (*Submit this form only if you are a resident of member
countries of the European Economic Area or the United Kingdom, the prescribed form can be downloaded from https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/ )
[Selection process]
After screening the application documents, qualified applicants will be invited to an online interview in Japanese or English.
[Deadline for application]
23:59 (JST), May 19th, 2023.
[Who to make contact]
Prof. Toshiyuki Amagasa
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
Phone: +81-29-853-6497, e-mail: amagasa_AT_cs.tsukuba.ac.jp
(Replace “_AT_” by “@”.)
[Where to submit]
Put the documents (1)-(5)/(7)-(8) in a single encrypted PDF file, and please submit it along with the PDF files of (6) as attachments to an email addressed to: koubo-dcidb _AT_ ccs.tsukuba.ac.jp (Replace “_AT_” by “@”.)
Please send the PDF’s password to the email address described in “[Who to make contact]”.
– Please write “Application for Assistant Professor Position in Database Group” in the subject.
– Please contact “[Who to make contact]” before submission if the file size exceeds 10MB.
– Please contact “[Who to make contact]” if you do not receive any response within two days after submission.
[Miscellaneous]
1) The personal information in the application documents will be used solely for selection. After the selection, all the personal information will be properly deleted.
2) The Center for Computational Sciences has been approved as a Joint Collaborative Research Center by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology. We promote interdisciplinary
computational sciences, including joint use of our supercomputer systems. The University of Tsukuba conducts its personnel selection process in compliance with the Equal Employment Opportunity Act.
3) The University of Tsukuba has established “University of Tsukuba Security Export Control Regulations” based on “Foreign Exchange and Foreign Trade Act”, and conduct strict examination when employing foreign nationals, persons from foreign universities, companies, government agencies, etc., or persons who fall under a specific category.
計算情報学研究部門 助教（任期付）公募（締切5月19日）
1. 募集人員
助教（任期付） 1名
2. 専門分野
データベース，データ工学およびビッグデータ基盤技術
3. 職務内容
筑波大学計算科学研究センター*1 計算情報学研究部門データ基盤分野で
は，JST CREST「S5基盤ソフト」領域採択課題「検証可能なデータエコシステ
ム」を推進中です．本プロジェクトでは，Society5.0のための基盤ソフトウェ
ア技術として，データに付随する信頼度やリネージュ（来歴）をサポートし，
任意のデータを検証可能なデータエコシステムの研究開発を，国内5大学の6研
究グループで連携して行います．
本公募では，ビッグデータ・データマイニングを含むデータベース・データ
工学の研究領域を専門とし，本プロジェクトにおいて，信頼度やリネージュを
含むメタデータの管理・運用のための技術開発および実証実験に積極的に取り
組んでいただける方を求めます．
*1 計算科学研究センター http://www.ccs.tsukuba.ac.jp
4. 着任時期
決定後できるだけ早い時期（応相談）
5. 任期
年度更新，最長2028年3月31日まで
6. 応募資格
博士の学位を有し（着任時期までに取得見込みも可），専門分野において優れ
た研究業績をお持ちで，上記職務に熱意を持って取り組んでいただける方．
7. 待遇
年俸制（給与等雇用条件は本学の規定による）．候補者の職務経験等を加味
し，本学規程に基づいて号俸を決定します．
8. 提出書類：
以下の (1)-(6) を電子メールの添付ファイルで提出して下さい．
(1) 履歴書（写真貼付，連絡先と電子メールアドレスを明記）
(2) 研究業績一覧（査読付き学術雑誌論文，査読付き国際会議論文，著書，
その他の研究発表，特許，受賞，外部資金獲得実績等に分類したリスト．論
文等の共著者名はすべて記入．なお主要論文（5編以内，(6)参照）について
は，インパクトファクタ，引用数，採択率等の情報をできるだけ記載すること．）
(3) これまでの研究実績の概要（1,500字程度）
(4) 着任後の研究計画と自己アピール（1,500字程度）
(5) 意見を求めうる方2名の氏名・所属・連絡先
(6) 主要論文別刷（5編以内，うち4編以上は最近5年以内のもの）
(7) 特定類型自己申告書
本学所定様式 https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/
(8) EU―般データ保護規則（GDPR）に基づく個人データの取扱い及び域外移転
に関する同意書（※欧州経済領域の構成国及び英国在住者のみ）
本学所定様式 https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/reqdocuments/
9. 選考方法
提出書類に基づいた書面選考を実施し、通過者は日本語または英語でオンライ
ン面接を行います。
10. 応募締切
2023年5月19日（金）必着
11. 照会先
筑波大学 計算科学研究センター計算情報学研究部門 教授 天笠俊之
Tel: 029-853-6497 / E-mail: amagasa _AT_ cs.tsukuba.ac.jp
（_AT_ を @ に置き換えてください．）
12. 応募書類送付先
提出書類の (1)-(5), (7)-(8) を一つのPDFファイルにまとめパスワードをかけ，
(6) の各論文のPDFファイルとともに電子メールの添付ファイルとして，
koubo-dcidb _AT_ ccs.tsukuba.ac.jp （_AT_ を @ に置き換えてください．）
までお送りください．PDFファイルのパスワードは，「11. 照会先」まで
にお送りください．
・メールの件名は，「データ基盤分野応募書類」としてください．
・ファイルサイズの合計が10MBを超える場合は，事前に照会先までご相談ください．
・メール送信後，二日以内に受領確認のメールが届かない場合は照会先までご
連絡ください．
13. その他
(1) 応募書類に含まれる個人情報は，本人事選考のみに使用し，他の目的には
一切使用しません．選考終了後はすべての個人情報を適切に破棄します．
(2) 計算科学研究センターは，文部科学省共同利用・共同研究拠点に認定され
ており，計算機共同利用を含む学際計算科学を推進しています．筑波大学で
は男女雇用機会均等法を遵守した人事選考を行っています．
(3) 本学では、「外国為替及び外国貿易法」に基づき、「国立大学法人筑波大
学安全保障輸出管理規則」を定め、外国人、外国の大学・企業・政府機関等
出身者又は特定類型該当者の雇用に際し厳格な審査を実施しています。
以上．
![[ウェブリリース]膜タンパク質に対して創薬シミュレーションを可能にする計算手法を開発](https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/wp-content/uploads/sites/14/230322fig2-825x430.png)
[ウェブリリース]膜タンパク質に対して創薬シミュレーションを可能にする計算手法を開発
2023年3月22日
筑波大学 計算科学研究センター
概要
数億種類におよぶ医薬品の候補から効果が期待される化合物を選び出すために、コンピュータによるドッキングシミュレーションが活用されています。ドッキングシミュレーションでは化合物の形状を様々に変えながら、病気の原因となるタンパク質の表面を探索することで、化合物とタンパク質の結合のしやすさを評価することができます。私たちの細胞を覆っている細胞膜には、膜タンパク質と呼ばれるタンパク質が存在しています。これらは、細胞の内外に物質を運んだり、細胞外からのシグナルを受けとったりする役割を持ちます。例えば、痛みを誘発する物質や、がんの増殖を促すシグナルの受け取りにも膜タンパク質が関わります。膜タンパク質をターゲットとして医薬品を開発できれば、より有用な医薬品の開発に繋がります。ところが、通常のドッキングシミュレーションは膜タンパク質に対して正しい計算結果を出せないという問題がありました。本研究では、既存の評価値を補正することで、膜タンパク質に対しても効率の良いドッキングシミュレーションを行える手法を開発しました。
研究内容と成果
従来のドッキングシミュレーションでは、タンパク質は水に囲まれていると仮定して計算を行うため、膜タンパク質を正しく評価することができませんでした。実際の膜タンパク質は、脂質（油）からなる細胞膜に覆われており、水に囲まれているとする仮定とは周辺の環境が大きく異なります。そこで本研究では、細胞膜の存在を考慮して既存の評価値を補正する手法を考案しました。具体的には３つのステップにより計算を行います。まず、細胞膜を一切考慮せずに通常のドッキングシミュレーションを行います。次に、膜タンパク質がどのように膜に埋まっているのかを予測します。これらの情報をあわせることにより、タンパク質表面に貼り付いた化合物が細胞膜に埋まっている状態を判別することができます。最後に、化合物の性質と位置を考慮した補正値を得て、従来法のスコアを補正します。本研究の手法の性能を評価するため、複合体の構造が既知の化合物に対してドッキングシミュレーションを行ったところ、23種類の複合体のうち16複合体（69%）で従来法より正確なスコアを示すことに成功しました。また、補正値は極めて簡単に計算できるため、ドッキングシミュレーションの足を引っ張ることなく高速に計算を進められます。さらに、本研究で作製したプログラムはインターネット上に広く公開（https://github.com/riquri/LoCoMock）しており、基礎から応用まで様々な研究に活用できます。
今後の展開
本研究の手法は、膜タンパク質をターゲットとした医薬品開発への貢献が期待されます。また、使用実績のあるドッキングプログラムを変更する必要はなく、既存のスクリーニング手順に追加して組み込みやすい特徴があります。さらに、様々な膜タンパク質をターゲットとすることにより、基礎研究や創薬の適用範囲を大幅に拡大できます。今後の展開として、膜タンパク質の三次元的情報を考慮することで、さらに精度の高いドッキングプログラムへ発展させることも視野に入れ、研究を継続する予定です。
研究資金
本研究は、科研費（21K06094）、住友財団（基礎科学研究助成）、筑波大学計算科学研究センター学際共同利用プログラムによって実施されました。
掲載論文
【題 名】 Efficient Screening of Protein-Ligand Complexes in Lipid Bilayers Using LoCoMock Score
【著者名】 Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
【掲載誌】 Journal of Computer-Aided Molecular Design
【掲載日】 2023年3月21日
【DOI】 DOI: 10.1007/s10822-023-00502-8
（https://doi.org/10.1007/s10822-023-00502-8）
X 線偏光で捉えた特異な量子干渉効果
2023年3月17日
国立大学法人 電気通信大学
国立大学法人 東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構
国立大学法人 筑波大学
大学共同利用機関法人 自然科学研究機構核融合科学研究所
概要
電気通信大学レーザー新世代研究センターの中村信行教授、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構の高橋忠幸教授、宇宙科学研究所の渡辺伸准教授らの実験グループは、多価イオンが高エネルギー電子を捕獲する際に放出する高エネルギーX 線の偏光度を測定し、これまでの原子物理の常識では偏光していないと考えられていた X 線遷移が大きく偏光していることを突き止めました。この実験成果は、電気通信大学が所有する世界有数の多価イオン生成・実験装置である電子ビームイオントラップ Tokyo-EBIT[1]と、宇宙科学研究所を中心に宇宙観測のために開発され、本研究のために改良された高エネルギーX 線用コンプトン偏光計 EBIT-CC[2]という二つの最新鋭装置・技術が融合することで初めて得られたものであり、他の研究機関では成し得なかったものです。
また、筑波大学計算科学研究センターの仝暁民准教授、北京応用物理計算数学研究所の高翔特任研究員、核融合科学研究所の加藤太治准教授の理論グループが行った常識を排除した理論解析により、実験で観測された予期せぬ大きな偏光が、量子干渉効果(量子力学における確率の波同士の干渉)の結果であることが明らかになりました。通常、干渉を起こす二つの波の初期状態は等しい必要がありますが、今回観測された偏光を生じさせたのは、角運動量の異なる二つの波、つまり厳密には異なる初期状態を持つ二つの波が引き起こした特異な干渉効果であることも明らかになりました。
本研究の成果は米科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。
Professor OHSUGA Ken has received the Hayashi Chushiro Prize
Professor OHSUGA Ken of the Division of Astrophysics has received the Hayashi Chushiro Prize from the Astronomical Society of Japan.
The awarded research is a “Pioneering Simulation Study on Accretion Flow and Outflow around Compact Objects”. The prize was awarded to Prof. Osuga for his outstanding research on accretion and ejecta flows around compact objects, which is highly appreciated worldwide, and for his significant contribution to the development of astronomy.
The award ceremony and commemorative lecture were held on March 15, 2023 during the 2023 Spring Meeting of the Astronomical Society of Japan.
Related page: Awards and Funds Program
【受賞】大須賀教授が日本天文学会林忠四郎賞を受賞
宇宙物理研究部門の大須賀 健教授が、2022年度日本天文学会 林忠四郎賞を受賞しました。
受賞対象となった研究は、「コンパクト天体周囲の降着流と噴出流の先駆的シミュレーション研究」です。コンパクト天体周囲の降着流と噴出流の研究で世界的に評価の高い卓抜の成果を挙げ、天文学の発展に大きく貢献していることが評価され、今回の受賞となりました。
授賞式および受賞記念講演会は、日本天文学会2023年春季年会中の2023年3月15日に行われました。
関連ページ：日本天文学会林忠四郎賞 受賞者
一般利用の募集
筑波大学計算科学研究センターでは、東京大学情報基盤センターが運用する高性能メニーコアクラスタ Wisteria-O(7,680ノード、A64FX、25.9PFLOPS)及び筑波大学計算科学研究センターが運用するビッグメモリスーパコンピュータ Pegasus(120 ノード、SPR、 H100、不揮発性メモリ、6.5 PFLOPS)と GPU, FPGA 混載型クラスタ Cygnus(78 ノ ード、V100、FPGA、2.3 PFLOPS)の 3 台のスーパコンピュータについて、各システムの 20%(Wisteria-O については筑波大割当分の 20%)を目安とした計算機資源を、全国共同利用機関として有償の一般利用に供することといたします。
2023年度の一般利用を募集しますので、希望される方は以下のページを確認の上、ご応募下さい。
一般利用
研究トピック「高性能計算科学の未来を切り開く新たな扉：FPGA技術」を公開
計算科学研究センター（CCS）に所属する教員・研究員の研究をわかりやすく紹介する「研究者に聞く− 研究トピックス」に「Vol.11 高性能計算科学の未来を切り開く新たな扉：FPGA技術」を公開しました。
高性能計算システム研究部門の藤田助教の研究を紹介しています。
高性能計算科学の未来を切り開く新たな扉：FPGA技術
藤田 典久 助教
(高性能計算システム研究分野)
藤田先生が所属する高性能計算システム研究分野の研究者は、計算機の性能をよりよくするために研究を行っている、いわば計算機開発の専門家です。
今回は藤田先生が専門に取り組んでいるFPGA（Field Programmable Gate Array）という、近年高性能計算システム研究分野で高い注目を集めている、新しいタイプの演算加速装置をご紹介します。
（2023.3.9 公開）
通信能力の高さが、FPGAの最大の特徴
コンピュータの演算処理装置というと、CPUやGPUが一般的に知られています。
CPUは汎用的な演算装置で、コンピュータからスマートフォンまで様々な機器に搭載され、計算を行なっています。GPUはゲームなどの3Dグラフィック処理を多用する機器で用いられてきたもので、CPUに比べて画像処理のパフォーマンスが高いことで知られています。
また、近年ではAIに関する計算を高速に行うために用いられています。機械の脳みそともいうべき中枢部には、これら集積回路（注1であるCPUやGPUが用いられていますが、その役割として重要なことが２つあります。１つは、演算処理で、もう一つは、他のコンピュータとの「コミュニケーション」という役割です。スーパーコンピュータでは複数のコンピュータを使って複雑で大規模な計算を行います。そのため、演算と通信を同時に速く処理していくことが、計算性能を加速させる上でとても重要となります。
さて話題のFPGAはというと、実は演算のパフォーマンスではそれほど他の演算加速装置の性能を上回ることはありません。
ではなぜ多くの研究者が注目しているのかというと、コミュニケーション能力が高いことにあります。コミュニケーション能力と聞くと、社会の人間同士にも言えそうなスキルですが、ここでいうコミュニケーションはコンピュータ間で情報をやり取りすることを指します。「スーパーコンピュータ」と聞くと、とても高性能な１台の計算機をイメージされることが多いかもしれませんが、現代のスーパーコンピュータは、図１にあるように複数のコンピュータを用いてシステムを構築しています。コンピュータの数は様々ですが、大規模なスーパーコンピュータでは10万を超えるコンピュータが用いられています。そして、コンピュータ間を高性能な通信網（ネットワーク）で接続しています。複数のコンピュータがネットワークを通じてコミュニケーションを取り、協調して１つの問題を解いていくのがスーパーコンピュータです。
図１
現在、大規模なFPGAクラスタはほとんど世の中に存在していません。
しかしこの通信システムの大きなアドバンテージを活かすと、より高性能なクラスタマシン、ひいてはスーパーコンピュータができる可能性を秘めているのです。藤田先生はFPGAの特性を活かした大規模なFPGAクラスタシステム構築のため、独自のCIRCUS(Communication Integrated Reconfigurable CompUting System)というシステムを提案しています。通信と演算をFPGAの中で１つに融合して、統一的に扱うパイプラインを構築することで、FPGAクラスタ上でより高性能な科学技術計算を実現できます。FPGAをいくつも並べたシステムを作ると、なぜ優れたマシンとなるのかを簡単に説明します。
図２
図3
コンピュータをネットワークに接続するには、通信を司るICチップを使います。通信用チップは、コンピュータの中で通信に関する専門的な処理を担います。そして、最終的に電気や光をケーブルの中を通すことでコンピュータ間の通信を行います。少しデフォルメしたイメージを図２と図3にのせます。
このように従来のでは、外部から接続されるケーブルとの通信は、CPUと別のチップが担当していました。しかしFPGAの場合は、この通信機能がすでに内蔵されているので、他のFPGAとの直接通信が可能となります。高性能計算で使われている演算加速装置の中でこのような特徴を持つのはFPGAだけであり、他の演算加速装置にはない特徴です。藤田先生は、このFPGAを複数並べた、いわゆるクラスタシステム（注2というものを構築する研究を行っています。
図４：FPGAのクラスタのイメージ図（ルーター機能の説明）
藤田先生が研究しているFPGAクラスタでは、図4のように縦横にFPGAを複数並べ、相互に高速な光通信ケーブルで接続してネットワークを構成します。このようなネットワークにおける通信では、たとえば図４のようにＡからＣまである情報を伝えようとしても、AとCは直接つながっていません。間にいるＢが通信を中継しなければAとCが通信することはできません。このような中継機能をルータと呼びます。通常、ネットワークにはスイッチという専用の機器があり，通信の中継を行なって、多数のコンピュータ間で通信を行っています。しかし、FPGAが持つ通信性能を最大限活かすために、CIRCUSではFPGA間を直接接続し、スイッチを使わないネットワークを用いています。そして、CIRCUSの一部としてルータ機能を実装し、直接繋がっていないFPGA間でも高速な通信を実現しています。スーパーコンピュータでは、コンピュータ同士を数千から数万という規模で接続します。そのため、通信速度（性能）がシミュレーションなどを行う際の計算性能に大きな影響を与えます。FPGAは、機器それ自体に通信処理を行う機能が内蔵されており、非常に速度の速い通信が可能です。計算科学研究センターではFPGAの通信性能に注目し、FPGAを高性能計算で用いるために、さまざまな研究を行なっています。
また、演算装置では、どのような計算を行うか、何をどうするか命令を与えなければなりません。コンピュータに行って欲しい処理を開発する作業を「プログラミング」と言います。
プログラミングにはさまざまなプログラミング言語を用いて行います。CPUなどに比べて、FPGA開発においては、プログラミングをするための言語が開発の障害となっていました。FPGA上で動くプログラムの開発は難しく、FPGAに関する専門的な知識をもつ人でなければ開発を行えませんでした。しかし近年、FPGA開発環境も進歩しており、よりプログラミングしやすい開発環境へと発展しています。藤田先生のCIRCUSでは、OpenCLというプログラミング言語を用いる開発環境で通信を含めてFPGAプログラミングを統一的に扱っています。これがシステム開発におけるデバッグ（注３のしやすさや、高い柔軟性といった大きな利点をもたらしているのです。
図５：FPGA（左）とスーパーコンピュータCygnus（右）
スーパーコンピュータCygnusを用いた宇宙輻射輸送コードART法の高速化！
筑波大学計算科学研究センターでは、FPGAとGPUを搭載したスーパーコンピュータCygnusが開発され、運用されています。CygnusはGPUとFPGAという２つの演算加速装置を同時に備えた世界的にも非常に珍しいスーパーコンピュータです。藤田先生は、このCygnusを利用して、さまざまなFPGAに関する研究を行なっています。Cygnusに加えて、筑波大学計算科学研究センターでは、小規模な実験的FPGAマシンとしてPre-PACS version. X (PPX)も運用しています。PPXは小規模なFPGAクラスタですが、多種多様な演算加速装置を搭載しており、実験的な開発や性能比較に用いています。
藤田先生はこれらの装置を通して、宇宙物理分野で用いるシミュレーションコードの高速化に取り組んでいます。このコードは、ART（Authentic Radiation Transfer）法と呼ばれるもので、宇宙空間を伝播する光の飛び方を計算するものです。ある空間を想定して、その中を飛ぶ光線（これをレイといいます）を用いてエネルギー伝搬の計算をします。空間内を格子状の領域で分け（メッシュ法（注4という）、隣り合うメッシュの間でレイをやり取りして計算を進めていきます。レイにそって計算するART法では、隣のメッシュへ小刻みに通信をすることが必要となるため、FPGAクラスタの通信面での利点が効いてくるのです。これによって、従来のGPU計算の性能を最大で10.6倍も高速化することに成功しました。
ART法を最大４つのFPGAを用いて計算した際の性能を図６に示します。計算性能は、広く演算加速装置として用いられているGPUと比べています。この実験では「Weak Scaling」と呼ばれる条件で性能を測定しています。「Weak Scaling」は、コンピュータ１台あたりの計算量を一定に保ったまま、計算に用いるコンピュータの台数を増やすことを指します。「Weak Scaling」では１台あたりの計算量は一定ですので、コンピュータの台数を増やしても計算時間が増えないことが理想です。言い換えると、計算全体で考えて、N台の計算機を使った時に１台の時と比べてN倍の性能が得られるべきだという測定条件です。
図６：FPGA使用時とGPU使用時における性能比較
まず、左端の1ノード（注５では、通信はなく、FPGAがGPUに対して単純に演算処理の速度が速いことを示しています。このようにFPGAの能力を最大限活用した効率のよいプログラムを用いれば、1ノード実行時でもGPUに対して4.5倍も高速となることが証明されました。GPUを使用した計算では、右にいってノード数が増えるほど計算時間が増えているのがわかります。一方、青で表されているFPGAを使用した場合は、ほとんど変化せず、計算時間が短いままです。この測定はWeak Scalingの条件で測定していますので、計算時間の増加が少ないFPGAの方が計算の効率が良いことを示しています。これがFPGAの直接通信ができるという能力と、その通信能力を扱って高い性能でFPGA間通信ができるCIRCUSを用いた成果です。一方、藤田先生は、これらの研究を評価され、2022年度筑波大学若手教員奨励賞を受賞しています。https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/news221128/
【用語】
- 集積回路：半導体の表面に、微細で複雑な電子回路をのせた電子部品のこと
- クラスタシステム：単一のシステムとして動作するように接合されたコンピュータの集合体のこ
- デバッグ：コンピュータのプログラムの誤り＝バグを見つけて、手直しをすること
- メッシュ法：計算科学の数値解析において、対象を離散化するために縦横に等分割した線で区画化する手法のこと
- ノード：通信の主体となる個々の機器のこと
さらに詳しく知りたい方へ Cygnus
【受賞】矢島准教授が筑波大学2022 BEST FACULTY MEMBERに選ばれました
計算科学研究センター 宇宙物理研究部門の矢島 秀伸准教授が、筑波大学2022 BEST FACULTY MEMBERに選ばれました。
表彰式は2月20日にオンライン（関係者のみオンサイト）で開催されました。
詳しくは以下の大学HPをご覧ください。
2022年度 BEST FACULTY MEMBER 表彰式
令和3年度研究評価を掲載
令和3年度の研究評価を掲載しました。
研究評価・外部評価
研究トピックス「究極の物質状態クォーク・グルーオンプラズマに迫る」を公開
計算科学研究センター（CCS）に所属する教員・研究員の研究をわかりやすく紹介する「研究者に聞く− 研究トピックス」に「Vol.10 究極の物質状態クォークグルーオンプラズマに迫る」を公開しました。
素粒子物質研究部門 の大野 助教の研究を紹介しています。
究極の物質状態クォーク・グルーオンプラズマに迫る
大野 浩史 助教 
素粒子物理研究部門
大野先生は、世界の研究者とともに、クォークという素粒子が織りなす量子色力学（QCD）の研究を主に行っています。素粒子の間に働く力には、強い力・弱い力・電磁気力・重力の４つの基本的な力があることが分かっています。その中でも強い力は、クォークといういうもっともミクロなスケールに存在する物質に働く力であり、その理論はQCDと呼ばれています。大野先生は、このまだまだ未知の側面をもつ基礎物理学の分野に挑戦しています。とくに宇宙の特殊な天体の内部などで実現している可能性のある、究極的な物質の状態を研究しています。研究内容はなかなかハードですので、ここではごくざっくりと説明していきたいと思います
（2023.2.20公開）
身の回りにある素粒子クォークとグルーオンはまだまだ謎が多い物質
私たちも、身の回りの物質も、周期表にのっている元素、あるいは原子というものでできていることは、化学の授業でも習ったかと思います。この原子は、中心に原子核があり、陽子と中性子という粒たちが原子核を形成しています。陽子や中性子はさらに、それぞれがクォークと呼ばれる素粒子３つから構成されていることがわかっています。しかし、３つといっても、クォークは決して単独で取り出すことができません。この奇妙な結びつきは、強い力を媒介するグルーオンという素粒子が接着剤の役割をしているからです。クォークには色という要素があり、赤、青、緑という異なる色になって初めてグルーオンによって結びつき、陽子、中性子となります。色というのは、あくまで光の三原色のアナロジーであり、実際に色がついているわけではありません。補足すると、三原色を合わせたり(バリオン=陽子・中性子の仲間)、ある色とその補色を合わせる(中間子)と白色になるわけですが、この白色になる組み合わせしか存在しないということです。陽子と中性子の違いは、クォークの種類によります。自然界には、全部で6種類のクォークがあり、この種類の違いによって、陽子と中性子という違いが生まれます。
クォークとグルーオンで出来た他の物質として、中間子もあります。陽子、中性子、そして中間子をふくめて、ハドロンと総称します。量子色力学（QCD）とは、このハドロンの性質を理解するための理論といえます。ハドロンの典型的なサイズはおよそ1フェムトメートル（注1で、基本的に身の回りに普段あるような低温・低密度でこの状態です。クォークとグルーオンは通常、ハドロンの中に閉じ込められているけど、その中のような小さい領域では不思議なことにお互いに働く力が小さく、自由な運動をしているように振舞います。これは漸近的自由性といい、QCDの大きな特徴です。一方、高温・高密度の状態にいくと、この自由に運動できる領域が重なりあうようになり、相転移を起こします。
図1：クォークとグルーオンの変化
最終的に、クォーク・グルーオンプラズマ（QGP）というクォークとグルーオンが相互にいくつも作用し合った複雑な状態を形成します（図１参照）。このような状態が、宇宙では中性子星（注2という、特殊な天体の内部で実現していると考えられています。その他の例として重要なのは、ビッグバン直後の初期宇宙です。ここでもQGPが重要な働きをするのです。
QCDの理論は、計算するのがとても大変です。難しい点の１つは、自由度が無限にあること、もう一つは、摂動計算（注3できるのは特殊な場合のみであるという点です。言っていることがすでに難しいですね。詳しい説明は「場の理論」という物理にふれないといけないので省きますが、摂動論を使わずに計算するためには、時空間を格子状に分けた（離散化した）格子QCDというものを用いる必要があります。この計算には、大型計算機が必要不可欠であり、ここでスーパーコンピュータが活躍しているのです。
重イオン衝突によって明らかとなる究極の物質状態！
大野先生は、このQGPの研究を行っています。地上でも重イオン衝突実験によって実現される状態だと考えられており、こういった実験と理論を比較することで、ＱＧＰの解明を目指しているのです。重イオンとは、鉛や金の原子核のことであり、これらを光速度に近い速度まで加速器で加速して衝突させます。とくにQGPの性質を調べる上で重要となる、チャームクォークとボトムクォークという質量の重いクォークが織りなすクォーコニウムという束縛状態に注目しています。このクォーコニウムの相関関数という量を格子ＱＣＤから計算します。ところが、本当にほしいものは相関関数自体ではなく、スペクトル関数という量です。相関関数はスペクトル関数を積分することで計算できますが、困ったことにその逆、つまり相関関数からスペクトル関数を計算することは簡単ではありません。しかしこのスペクトル関数こそが、高温媒質中のクォーコニウムの情報を含んだ重要パートなのです。大野先生は、まさにこのスペクトル関数がどのようなものになるのかを計算方法を工夫することによって導くことにチャレンジしています。
図２：スペクトル関数の予想される形状
図２に示したのは、スペクトル関数の温度ごとに予想される形状の模式図です。
シミュレーションによるこれらの正確な結果は、あとで図３に示します。
ピークがたっているのは、基底状態や励起状態（注4というピンポイントの状態を示しています。一方、図の中央のように、ピークがなくなっている場合は、その状態が消失したとみることができます。
大野先生はこれら実験と比較できるようなスペクトル関数のモデリングを研究しています。結果は、図３のようになっています。これによって、チャームクォークについての左図では、ピーク構造が消失することを示唆し、ボトムクォークに関する右図では、相転移温度の1.5倍の温度程度までピーク構造が残ることを示唆しています。このようにＱＧＰ中におこるクォーコニウムの消失あるいは残存現象を明らかにしたのです。
図３：理論をもとに計算したスペクトル関数の波形
【用語】
- フェムトメートル：10-15メートルのこと。
- 中性子星：大質量の星が超新星爆発を起こしたあとにできる特殊な天体。コンパクト天体とも呼ばれ、大きさは小さいが、非常に強い重力をもっている。
- 摂動計算：近似的な解を求める計算テクニックのこと。正確に解ける問題があるとして、そこからほんの少しだけずれた状態の解を計算するときに便利。
- 基底状態・励起状態：原子・分子といった量子力学の系では、エネルギーが最も低い（基底）状態から、よりエネルギーが高い（励起）状態といったものが離散的に分布している。
さらに詳しく知りたい人へ
Job opening of Assistant professor with a fixed term appointment (Deadline March 17th JST)
1. Position Title
Assistant professor (Nontenured)
2. Affiliation
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
3. Field of Expertise
In addition to the first-principles calculations of energetical and structural materials, our division is developing methodologies for elucidating microscopic properties of solid surfaces, solid-solid and solid-liquid interfaces with various computational techniques, including density functional theory. We seek an Assistant Professor who is willing to engage in research and education in the field of computational materials science and collaborate with experimentalists through our simulation techniques.
4. Starting date
April 1, 2023 or later, as soon as possible
5. Period
Until March 31th, 2026
6. Requirement
Applicants must have a doctoral degree or equivalent expertise.
7. Compensation
- Salary: Annual salary system (The annual salary will be determined based on the regulations of the University, taking into account the career of the employer.)
- Working hours: Discretionary labor system
- Holidays: Saturday, Sunday, national holidays, New Year’s holidays (Dec.29 – Jan. 3), and holidays determined by the University.
8. Required Documents
1）Resume/CV (with photograph)
2）List of research activities including peer-revieewd papers, peer-reviewed proceedings, oral presentations at international conferences, competitive research funds (representative), awards , and so on.
3）Summary of research activities (within 1 sheet of A4 paper)
4）Research and education plan (about 1 sheet of A4 paper)
5）Up to five major pepers (at least four of which are within the last five years)
6）A list of two professional references with complete contact information
7）Self-declaration on Specific Categories
8）Consent to Processing and Extraterritorial Transfer of Personal Data under GDPR (EU General Data Protection Regulation) (Persons located in the countries that make up the European Economic Area or in the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland submit the consent form).
※Applicants are asked to download the document forms required for 7) and 8) from the link below:
提出書類
9. Application period
2023/03/17 Deadline for receipt
10. Contact details
Professor OTANI Minoru
Tel: +81 (0)29-853-4273
Email: otani[at]ccs.tsukuba.ac.jp （[at]→@）
11. Submissions
1. Create a single PDF file containing all documents from 1) to 8).
2. Create a user account at JREC-In portal (https://jrecin.jst.go.jp/) and upload the file.
12. Additional information
1) The personal information in the application documents will be used solely for selection. After the selection, all the personal information will be properly deleted.
2) The Center for Computational Sciences has been approved as a Joint Collaborative Research Center by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology. We promote interdisciplinary computational sciences, including joint use of our supercomputer systems. The University of Tsukuba conducts its personnel selection process in compliance with the Equal Employment Opportunity Act.
3) The University of Tsukuba has established “University of Tsukuba Security Export Control Regulations” based on “Foreign Exchange and Foreign Trade Act”, and conduct strict examination when employing foreign nationals, persons from foreign universities, companies, government agencies, etc., or persons who fall under a specific category.
4) “IMAGINE THE FUTURE. Assistant Professor System” is applied to this position. The successful candidate will receive an annual research budget (maximum 500,000 yen/year) from the system. After the evaluation based on performance for the period, qualified candidate has opportunity to transfer to a tenure-track position.
量子物性研究部門 助教（任期付）公募（締切3月17日）
1．公募する職名・人数
助教（任期付）・１名
2．所属部門、講座、研究室等
計算科学研究センター 量子物性研究部門
3．専門分野、仕事の内容
当研究部門では、エネルギー材料や構造材料の第一原理計算に加えて、固体表面、固体・固体界面や固体・液体界面を、密度汎関数法を含む様々な計算技術で扱うための方法論の開発を行っています。これらの研究を通して、実験家との共同研究を意欲的に進めていただける助教を募集します。また、応募者の適性を判断して、理工学群物理学類・数理物質科学研究群物理学学位プログラムにおいて、教育・研究指導補助を担当していただきます。
4．着任時期
決定後できるだけ早い時期
5．任期
採用日から2026年3月31日まで
6．応募資格
博士の学位を有する者、 あるいはそれと同等の能力をもつ者
7．提出書類
以下の(1)-(8)の内容を含む電子ファイルを提出してください。
1）履歴書（写真添付）
2）業績リスト（査読論文とその他を区別すること）
3）これまでの研究の概要（A4用紙１枚程度）
4）着任後の研究と教育に関する抱負（A4用紙１枚程度）
5）主要論文5編（うち4編以上は最近5年以内のもの）
6）照会者可能者2名以上の氏名・連絡先
7）特定類型自己申告書（本学所定様式）
8）EU一般データ保護規則(GDPR)に基づく個人データの取り扱い及び域外移転に関する同意書（欧州経済領域の構成国および英国在住者は必ず提出のこと）
※提出書類の7)、8)の様式および記入例は下記URLからダウンロードできます。
提出書類
8．給与等
本学規定に基づき支給、文部科学省共済組合（年金、医療）に加入、雇用保険適用
9．勤務日
週5日（月～金曜日）専門業務型裁量労働制（みなし労働時間：1日7時間45分）
（土曜日、日曜日、祝日、年末年始（12月29日から1月3日）は、休日）
10．休暇
年次有給休暇あり
休暇等の制度は、大学が定める就業規則等によります。
11．応募締切
2023年3月17日(金)必着
12．問い合わせ先
筑波大学計算科学研究センター量子物性研究部門 大谷実
Tel: 029-853-4273
Email: otani[at]ccs.tsukuba.ac.jp （[at]→@）
13．応募書類送付先
JREC-IN Portal Web応募のみとします。郵送あるいは電子メールへの添付による提出は原則受け付けません。
- 応募書類1)〜8)を一覧の順に並べ、単一のPDFファイルにまとめてください。
- JREC-In Portal (https://jrecin.jst.go.jp/)においてユーザ登録・Web応募を行って下さい。
14．選考方法
書類審査合格者に対して、テレビ会議または対面で面接を行います。交通費は応募者の負担とします。
15．その他
(1) 応募書類に含まれる個人情報は、本人事選考のみに使用し、他の目的には一切使用しません。選考終了後はすべての個人情報を適切に破棄します。
(2) 計算科学研究センターは、文部科学省共同利用・共同研究拠点に認定されており、計算機共同利用を含む学際計算科学を推進しています。筑波大学では男女雇用機会均等法を遵守した人事選考を行っています。
(3) 本学では、「外国為替及び外国貿易法」に基づき、「国立大学法人筑波大学安全保障輸出管理規則」を定め、外国人、外国の大学・企業・政府機関等の出身者または特定類型該当者の雇用に際した厳格な審査を実施しています。
(4) この公募は、筑波大学ITF（IMAGINE THE FUTURE）助教制度を適用する公募です。ITF助教制度については、https://www.tsukuba.ac.jp/about/jobs-information/pdf/itf-assistantprofessor.pdfをご参照ください。
梅村雅之先生 最終講義（3/10）
宇宙物理研究部門の部門主任，計算科学研究センター長等を歴任されました梅村雅之先生（計算科学研究センター 教授）が，令和4年度末日をもちまして定年を迎えられることとなり，最終講義を開催することとなりました．
計算科学研究センターとオンラインのハイブリッドにて開催いたします．
参加を希望される方は，下記フォームよりお申込ください．
日時：令和5年3月10日（金）13:30-15:00
場所：計算科学研究センター 国際ワークショップ室 / オンライン
主催：筑波大学計算科学研究センター
参加登録フォーム
https://tinyurl.com/2jts85yw
申込締切 令和5年3月8日（水）
学生インタビュー vol.7 公開
計算科学研究センター（CCS）所属教員が指導する研究室の学生へのインタビュー「CCSで学ぶ」に「vol.7 高田 菜月さん（関連部門：地球環境研究部門）」を公開しました。
「vol.7 高田 菜月さん（関連部門：地球環境研究部門）」