高性能計算システム研究部門の藤田 典久助教が、情報処理学会の山下記念研究賞を受賞しました。
山下記念研究賞は、情報処理学会の研究会および研究会主催シンポジウムにおける研究発表のうちから特に優秀な論文を選び、その発表者に贈られるものです。授賞式は3月3日にオンラインで開催されました。
受賞タイトル：スーパーコンピュータCygnus上におけるFPGA間パイプライン通信の性能評価
関連URL：https://www.ipsj.or.jp/award/yamashita2021.html （外部リンク）
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(A64FX、ピーク性能25.9 PFLOPS)及び筑波大学計算科学研究センターが運用するGPU, FPGA混載型クラスタCygnus(V100、ピーク性能2.3 PFLOPS)の2台のスーパーコ ンピュータについて、各システムにおいて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。
2022 年度(2022年4月1日から2023年3月31日まで)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
計算科学研究センター（CCS）に所属する教員・研究員へのインタビューを通して、一般の方へわかりやすく計算科学研究センターの取り組みを紹介する「CCS Reports!」に高橋大介先生の「Vol.4 円周率探求は数世界に築くバベルの塔」を公開しました。
高橋大介 教授
高性能計算システム研究部門
皆さんは、「π=パイの日」をご存知でしょうか？
巷では、ホワイトデーとなっている「3月14日」です。この日は、なんとあのアインシュタイン博士の誕生日でもあります。そんな円周率の日に公開となる今回の記事は、π＝3.14‥にまつわるお話がテーマです。
高橋大介教授は、高性能計算システム研究部門の研究者です。先生は、2009年に当時のスーパーコンピュータを用いて、円周率の小数点以下の桁数で世界記録を樹立されたスゴい方なんです。
先生が円周率に興味をもったのが、中学1年生のとき。当時、図書館で偶然出会った「πの話」（野崎昭弘著、岩波書店）という本が先生のπ探求への扉を開いたのです。図1
図1：高橋先生がπ探求のきっかけとなった「πの話」（野崎昭弘著、岩波書店）
（2022.03.14 公開 文責：高水裕一 ※2022.5.23 一部加筆修正を行いました）
「πは超越数」ということを聞いたことがあるでしょうか。これは代数方程式の解にならない数のことです。たとえば、√2は小数点以下が無限に続きますが、x^2-2=0という方程式の解になっているので、超越数ではありません。ネイピアの数 eも円周率と同じ超越数ですが、無限に続く桁を計算で算出する際、円周率はeよりもさらに奥が深く、別次元の難しさがあるのです。
もっとも簡単に円周率を求めるためには、Tan関数を用いることです。角度として45度、つまりπ/4を代入すると１になるので、これを逆に解いた逆関数であるArctan関数を用いて求まります。
具体的には、π＝4 Arctan(1) と表されます。しかしこれを級数展開（注1 を用いて計算すると、実はうまく答えが収束しません。円周率のより高い桁数を求めるために、これは効率が悪いのです。そこで、もう少し効率のよい形として次のArctanを用いた「マチンの公式」が知られています。図2
図２：マチンの円周率を求める公式
ここで注目すべきは、5 と239という２つの素数（注2 です。
これらが分母にあることで、級数展開の収束が各段によくなります。この公式は、似たような別のバージョンがいくつかありますが、独立には４つしかないことが証明されています。239という素数も、加法定理といった規則に乗っ取った裏の深い意味があるのです。なんでもいい数にみえて、実は奥深い数たちなのです。239という素数は、無限に続くπという未踏の階段へ昇っていくための魔法の入り口のようなものなのです。
人類が、πを求める歴史は実に古く、何と紀元前2000年の旧約聖書、7章23節には、ソロモン王の装飾品として円周率の記述が登場します。そこには、周に渡した縄の長さは、直径に対しておよそ3倍とあります。つまりπ＝３と書かれていたのです。円形は完全を象徴するもので、古代から人類の高い関心事だということです。
人類の科学の発展とともに、その桁数は、π＝3.141592・・と飛躍的に伸びていきます。数学の発展も大事なのですが、それを実行するための計算機の進歩も同時に重要となります。スーパーコンピュータとよばれる大規模計算機が発展してきたことが、円周率を何兆桁以上も計算できるようになった大きな契機といえます。図3は、年代と桁数の伸びを図示したものです。そんな長い歴史の中には、円周率を求めるだけで一生を終えた学者も少なくありません。
図３：年代ごとの円周率の桁数の伸び
たとえば、ルドルフは正多角形を用いて、近似的に円周率を計算するやり方で、35桁まで求めました。結果だけ聞くと一瞬ですが、なんと一生涯を費やして、約461京角の多角形で計算したというのですから、気が遠くなります。これに近い37桁までの計算によって、宇宙全体を原子サイズの高精度で測ることに対応しています。つまりこの桁数まで得られれば、宇宙の大きさを半径とする仮想的な円周を、水素原子ほどの高精度で求めることに相当しているのです。一生涯をかけて宇宙全体を高精度で見渡したという壮大なスケールをきくと、なんともロマンを掻き立てられます。このような一生涯パターンの逸話は枚挙にいとまがないほど、円周率というのは学者の人生を狂わすほどの強い魅力があるのです。
まだ見ぬ未踏の頂きを求めて、古代人類が天空へと続くバベルの塔を建設したように、円周率探求は、まさに数世界の頂きを目指す、文明史そのものだといえます。
そんな数々の桁数探求の中、高橋先生は、2009年に円周率の世界記録を樹立します。その桁数はなんと、約2兆5769億というとんでもないもの。その輝かしい記録を出した業績について、すこし触れてみましょう。
使った公式は、「Gauss‐Legendreの公式と高速乗算法」というものです。Arctanの公式が抱える問題として、掛け算の計算部分に時間がかかりすぎるという大きな問題が知られていました。皆さんが普通に行う掛け算の方法、いわゆる「ひっ算」のような方法では、計算時間が桁数の上昇につれてあまりに長くかかってしまうのです。そこで掛け算の計算アルゴリズムとして、「高速乗算法」というのがカギになります。これにより、計算するべき乗算の回数が飛躍的に減少されます。ここに「高速フーリエ変換」という手法を加味すると、さらに高速化が進み、先生はこの手法で約2.6兆桁を約30時間で計算することに成功します。円周率を求める過程で得た、この高速フーリエ変換の手法は、他の計算科学で大いに役立ち、後年これが大きな副産物となります。
計算方法であるソフトだけでなく、計算するためのマシンの性能、つまりハード面も重要です。先生は2009年に、「T2K筑波」というスーパーコンピュータを用いて計算を実行しました。これは筑波大学、東京大学、京都大学が共同で開発・運用したマシンで、当時は世界第20位の計算機としてランクインし、2014年に運用が終了したものです。先生の業績で大事な点は、スパコンを並列処理として円周率を計算させたという点です。T2K筑波では640ノードを並列に用いて計算しました。この並列処理による円周率の計算として、1997年に先生は、「HITACHI SR2201」というマシンを用いて、前進となる研究を行っていました。このマシンは、筑波大学計算科学研究センターのPACSシリーズという歴代のスパコンに位置する「CP-PACS」というマシンの商用機だそうです。円周率の探求は、センターのスパコンの歴史とも大きく関係していたのです。当センターのスパコンの歴史はこちらに。
ここで現代の桁数最高記録をご紹介します。それは2021年の約62兆8318億というもので、スイスの研究チームが達成しました(2022年2月現在の最高桁数)。その少し前の2019年には筑波大学の卒業生（岩尾エマはるか さん）が達成した約31兆桁があります。先生は在学中、この方とも面識があったそうです。
しかしこれら近年の記録、実はこれまでのスゴさからすると、すこし方向が違うのです。2019年の記録は、Google社となっています。一見、大規模プロジェクトで大型の計算機を使って・・と想像してしまいますが、実はすでに発表されているプログラムが使われています。本来はこのプログラムを作成することが一番大変なことです。先生は、インタビューで「世界でも数人じゃないかな、それを書ける人は。」とカッコよく語っておりました。かくいう高橋先生もそのスゴイ一人なのですが、2019年の記録に使われたプログラムはYeeさんという方が作成した「Y-Cruncher（＝Yeeが嚙み砕くの意味）」というプログラムでした。これをダウンロードして実行しているのですが、実はスパコンのような大規模マシンも用いていません。その分、日数をかけて計算したもので、2010年以降の円周率の記録は全て、このプログラムの恩恵だといえます。もちろん実行するのにも、いろいろな工夫は必要で、凄くないわけでは決してありません。2019年の記録では、Google Cloud Platform というクラウド上のコンピュータでプログラム（y-cruncher）を高速に動かすためのさまざまな工夫がなされています。
話は、このプログラムで用いられている公式のスゴさに移りましょう。
２つの超人的な円周率の公式をご紹介します。１つは、「ラマヌジャンの公式」、もう一つは、「チュドノフスキーの公式」というものです。ラマヌジャンという数学者、皆さんご存知でしょうか。神に祈って未知の数式を導いたり、自分で証明する術をもたない異色の数学者といった、まるで映画のような設定を地でいく数学界の魔法使いのような異次元の天才なのです。彼を描いた映画「奇蹟がくれた数式」をぜひご覧ください。
彼が1914年に導いた公式が図4上段にあります。こんな形、一体どうやって思いついたのか、当時の学者たち誰一人として理解できませんでした。後に、彼の死後この公式が正しいことが証明され、チュドノフスキーの公式は1989年にその異なるバージョンとして発表されます。
ラマヌジャンの公式では、約8桁ごとに正確な円周率が計算できるのに対して、チュドノフスキーの公式は約14桁ごとに正確な値が導けるので、現代ではこちらのほうが用いられており、Yeeのプログラムでも採用されています。彼らは兄弟で数学者であり、なんと円周率を求めるために自宅のアパートに手作りのスパコンを設置して、約80億桁まで求めたということです。こちらも負けず劣らず、すごい逸話の兄弟ですね。高橋先生は、このラマヌジャンの公式のスゴさを次のように語っていました。
図４：ラマヌジャンの公式を書く高橋先生
「この公式は、彼が地球にいなかったらきっと誰も導くことができなかった奇蹟の数式では」と。この公式から、後に数学世界では、「テータ関数」という概念が生まれます。楕円関数やモジュラー形式という数学とも関連するもので、πを求まる公式としてだけでなく、新しい数学の領域が開かれたのです。彼がいなくては誰も発見できなかった幻の扉だといえます。とくに先生が注目しているのが「素数1103」です。前に登場した239のように、これにも深い意味がある素数のようですが、常人の理解をはるかに超えています。πへと続くこの神秘的な扉の数、「239と1103」をどこか頭の片隅にいれてもらえれば、あなたも超越数πへ近づけるかもしれません。
誰でも横に線を引いて、数直線を描くことはできます。その３と４の数値の間には必ずπが存在しています。しかし存在はしていても、1点そこにたどり着くことができない摩訶不思議な数。なんともロマンに満ちた存在ではないでしょうか。
最後に先生は、「ぜひまた世界記録に挑みたい」と意気込みを熱く語っていました。既存のプログラムを用いるのではなく、スパコンを用いた並列処理による記録達成を目指す新しいプログラムを作成したいとか。現代の最高峰マシンである、「富岳」を用いても、前述のArctanの公式だけでは、約62兆桁までの計算で100年以上もかかってしまうのです。いかに効率のよい公式を用いるか、そしていかに効率よく分散させてスパコンに計算させられるかが、今後の飛躍にとって大きなカギとなるのです。
πは実は、超越数であるということ以外、その正体が未だにほとんど分かっていません。乱数性、つまり完全にランダムに数字が登場するのかどうかさえ、まだ証明なされていません。円周率の中には、８が13桁も続くようなものや、再び314159265358という円周率が小数点以下に登場するものもあります。πの中πは、まるでマトリョーシカのようです。まだまだ奥が深い数列や、魅惑的な数列がその中に登場してくるでしょう。それが円周率なのです。
円周率の桁数は文明進歩の尺度の一つであると言われています。旧約聖書以前から続くこの高いバベルの塔がいったいどこまで続くのか、今後の人類の発展とともに期待したいところですね。
１）級数展開： ある関数を無限に続く級数で近似的に計算すること。テイラー展開ともいう。
２）素数：１とその数自身以外に約数がない正の整数のこと
高橋大介，”円周率世界記録更新-2兆5769億8037万桁への道”，情報処理, Vol. 50, No. 12, pp. 1228-1234 (2009).
※ 17日の回、参加者の皆様へ 3月16日の夜に大きな地震と停電が発生しましたが、Cygnusの見学は問題なく行える状態であることを確認しました。本日は予定通り開催いたします。
以下の日程で、在学生向けに筑波大学計算科学研究センターのスーパーコンピュータCygnusの見学会を開催します。
日程： 3月16 / 17日 14:00- / 15:00- （各回 40分程度）
場所： 筑波大学計算科学研究センター （バス停「第一エリア前」下車 徒歩1分）
参加費： 無料
対象： 21年度本学在学生 （定員各回6名 先着順）
申込締切： 3月15日（締切延長）
参加申し込みフォーム： https://forms.gle/p98pndLGA4ZarpJbA（外部リンク）
コロナ禍の状況を踏まえ、各回の定員を6名としています。
参加申込された方は、体調に留意してマスク着用の上ご参加ください。
風邪様症状がある場合には参加をご遠慮ください。
計算科学研究センターの紹介、Cygnusの見学、質疑応答を予定しています。
計算科学研究センター玄関前集合とします。玄関は施錠されていますので、時間厳守でお願いします。
当日の欠席連絡、その他お問合せは pr[at]ccs.tsukuba.ac.jp （[at]→@） までご連絡ください。
Cygnusの解説付きツアー動画もあります。
Researchers from the University of Tsukuba find that a brief walk outside on a hot day impairs cognitive performance
Tsukuba, Japan—Studies have shown that being in a hot environment reduces cognitive performance, whereas a brief walk enhances cognition. But what happens when you go for a brief walk on a hot summer’s day, as so many students and office workers do during lunch or an afternoon break? Turns out, you might be better off avoiding the heat.
In a study published this month in Building and Environment, researchers from the University of Tsukuba discovered that just 15 minutes of walking outside on a hot day impaired cognitive performance, and this was most striking in men who don’t get enough sleep.
Those who work or study in urban heat islands, such as large cities in Japan, generally have the convenience of air-conditioning indoors over the summer months, which largely counters the negative impact of heat on learning and productivity. However, brief exposure to hot environments during commuting or breaks is inevitable, and whether such exposure affects cognition has not been known. “Previous experiments have used specialized climate chambers to test these effects. However, outdoor thermal environment differs significantly from indoor thermal environments in terms of radiation and wind,” says senior author Professor Hiroyuki Kusaka. “Radiation and wind have significant effects on thermal perception. Therefore, in order to assess the effects of outdoor heat stress on cognitive performance, experiments should be conducted in real outdoor environments.”
Researchers simulated a real-world scenario during the Japanese summer in which workers or students leave an air-conditioned indoor environment to walk or have a break in a hot outdoor urban environment. Ninety-six students completed a simple arithmetic test in an air-conditioned room before either staying indoors, walking outside, or resting outside for 15 minutes. They then returned indoors to complete a second arithmetic test, and any changes in performance were measured. Walking in a hot outdoor environment impaired cognitive performance; however, it was not simply the exposure to the hot environment that impaired cognition. Rather, it was the combination of walking and being outside in the summer heat that had impacted cognitive performance. Furthermore, this effect was more pronounced in people, specifically men, who were sleep deprived, having slept less than 5 hours.
“Japanese office workers and students, especially men, need to be aware of this situation as they work and study,” says Kusaka. The team hopes that their findings will help guide ways to improve productivity and learning in workers and students in Japan, and perhaps even further afield as the impact of climate change moves to the forefront.
This research was in part supported by the Social Implementation Program on Climate Change Adaptation Technology by Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan. This research was performed by the Environment Research and Technology Development Fund JPMEERF20192005 of the Environmental Restoration and Conservation Agency of Japan.
The article, “Effect of walking in heat-stressful outdoor environments in an urban setting on cognitive performance indoors,” was published in Building and Environment at DOI: 10.1016/j.buildenv.2022.108893
Professor KUSAKA Hiroyuki
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
2022年2月22日
国立大学法人筑波大学
概要
日本のオフィスワーカーや学生は、夏場、空調の効いた室内と暑さの厳しい屋外との間を行き来することが多く、厳しい暑さの屋外から室内に戻った後、仕事や学習のパフォーマンスに影響を与える可能性があります。そこで本研究では、暑い屋外を短い時間歩くことが、直後のパフォーマンスにどのような影響を及ぼすのか明らかにするために、大規模な被験者実験を実施しました。実験に参加した96名の被験者は、屋外で歩く前後に、空調の効いた室内で簡単な足し算のテストを受けました。実験の結果、熱中症厳重警戒日に屋外を15分間歩くと、その直後のテスト正答率が、歩く前に比べて3.6％低下していました。この傾向は、女性よりも男性でより強く見られました。
また、睡眠時間にも着目したところ、睡眠時間が短くなると、屋外を歩いた後のテスト正答率がより低下しやすいことが示されました。この傾向は、睡眠時間が5時間未満の被験者で特に顕著で、とりわけ男性被験者については、歩いた後のテスト正答率が9.1%低下しました。つまり、睡眠不足の男性が夏の暑い日に屋外を歩いた場合、その後の仕事や学習のパフォーマンスを大きく低下させる可能性があります。本研究結果は、日本におけるオフィスワーカーの生産性や学生の学習効率を向上させるために役立つと期待されます。
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.4 佐野 由佳さん（関連部門：高性能計算システム研究部門）」を公開しました。
佐野 由佳（SANO Yuka）さん
情報学群 情報科学類
ハイパフォーマンス・コンピューティング・システム研究室 4年
(内容は、2021年7月取材当時のものです。)
佐野さんは、筑波大学 情報学群 情報学類在籍時にHPCS研究室に入り、小林諒平 助教の指導のもとで研究を続けています。
両親が情報工学系の出身で、家でもパソコンなどを普通に触れる環境だったのが大きいと思います。植物もとても身近にあったので、一時期は農学に進むことも考えていました。どちらも身近なものから影響を受けています。
中学3年くらいから情報系への進学も視野に入れていたので、コンピュータ部に所属していました。ただ、大学に入ってみたら、今までやっていたことはなんだったのだろうというくらい違っていたのですが…。コンピュータに触れる機会が多かったのはよかったかなと思っています。
小学校の先生をやっているいとこに簡単なプログラミングを紹介する機会があり、とても喜んでもらえたのも情報系に進学したきっかけの一つです。パソコンにあまり触れないような人でもすごいアイディアを持っていて、でも頭の中身をプログラム上に落とし込めない、という人はたくさんいると思います。そういう人たちがのびのびプログラミングできる環境を整える、ということがやりたいなと思い、できそうな大学を探しました。
これまでCPU向けのプログラミングなどは経験があるので、今はGPUのプログラミングや最適化技術を勉強しています。まだ具体的な研究テーマが固まっていないので、まずは自分でやってみて、いろいろと動かしてみて課題を見つけようとしているところです。
コロナ禍なので、ほとんど家からリモートで研究をしています。ノートPCや家族共有のデスクトップで情報収集をしたりプログラムを書いたりして、リモートで研究室のPPX*につなぎ、プログラムを走らせてみることで研究を進めています。
（*PPX：Pre-PACS-X、スーパーコンピュータCygnusの開発のために作られたミニクラスタ）
低年齢向けのプログラミングツールはいろいろあるけれど、その次の段階は専門言語になってしまいがちです。その間をうまく埋める言語ができたら、抵抗なく学習できる層が増えるのではないかと思っています。プログラムを専門に学んだ人でなくても使えるような環境を作っていく、プログラミング言語からそれをサポートする研究がしたいですね。
大学に入ってから学ぶことがとても多くて、高校時代は普通の受験勉強をしていただけです。情報系に進むからといって特別な対策はしませんでした。今の高校生は情報が教科にあると思うので、それで十分だと思います。
今やれることを精一杯やって、大学入ってからもやれることを精一杯やるといいと思います。私は中３の頃に情報系に進もうかなと考えていましたが、それより遅く始める人もいます。入試までに意思が固まれば大丈夫！ どんな分野も、大学に入ってからでも基礎的なことから学べるので、そこからコツコツやる習慣が身につけば、いつ始めても遅くはないと思います。
日時：2022年2月22日（火） 8:30～18:30
会場：Zoom
計算科学研究センター 令和3年度年次報告会を行います。
発表時間は、新任者(＊印)は15分、それ以外の方は12分です（質疑応答、交代時間含む）
セッション1 （8:30-10:00 座長：松枝末遠）
8:30 朴 泰祐 （センター長）
8:32 北原 格 （計算情報学研究部門）
8:44 ＊大谷 実 （量子物性研究部門）
8:59 ＊中山 卓郎 （生命科学研究部門）
9:14 ＊Savong Bou （計算情報学研究部門）
9:29 ＊萩原 聡 （量子物性研究部門）
9:44 重田 育照 （生命科学研究部門）
セッション2 （10:00-11:30 座長：吉川耕司）
10:00 松枝 未遠 （地球環境研究部門）
10:12 佐藤 駿丞 （量子物性研究部門）
10:24 堀江 和正 （計算情報学研究部門）
10:36 田中 博 （地球環境研究部門）
10:48 石塚 成人 （素粒子物理研究部門）
11:00 矢花 一浩 （量子物性研究部門）
11:12 亀田 能成 （計算情報学研究部門）
セッション３ （11:30-13:00 座長：中山卓郎）
11:30 藏増 嘉伸 （素粒子物理研究部門）
11:42 吉川 耕司 （宇宙物理研究部門）
11:54 吉江 友照 （素粒子物理研究部門）
12:06 橋本 幸男 （原子核物理研究部門）
12:18 原田 隆平 （生命科学研究部門）
12:30 Doan Quang van （地球環境研究部門）
12:42 高橋 大介 （高性能計算システム研究部門）
セッション４ （13:00-14:30 座長：日野原 伸生）
13:00 日下 博幸 （地球環境研究部門）
13:12 Alexander Wagner （宇宙物理研究部門）
13:24 宍戸 英彦 （計算情報学研究部門）
13:36 中務 孝 （原子核物理研究部門）
13:48 大野 浩史 （素粒子物理研究部門）
14:00 藤田 典久 （高性能計算システム研究部門）
14:12 堀 優太 （生命科学研究部門）
セッション５ （14:30-16:00 座長：多田野寛人）
14:30 矢島 秀伸 （宇宙物理研究部門）
14:42 額田 彰 （高性能計算システム研究部門）
14:54 塩川 浩昭 （計算情報学研究部門）
15:06 稲垣 祐司 （生命科学研究部門）
15:18 小泉 裕康 （量子物性研究部門）
15:30 天笠 俊之 （計算情報学研究部門）
セッション６ （16:00-17:30 座長：Alexander Wagner）
16:00 梅村 雅之 （宇宙物理研究部門）
16:12 多田野 寛人 （高性能計算システム研究部門）
16:24 森 正夫 （宇宙物理研究部門）
16:36 Tong Xiao-Min （量子物性研究部門）
16:48 朴 泰祐 （高性能計算システム研究部門）
17:00 前島 展也 （量子物性研究部門）
セッション７ （17:30-18:45 座長：藤田典久）
17:30 大須賀 健 （宇宙物理研究部門）
17:42 小林 諒平 （高性能計算システム研究部門）
17:54 庄司 光男 （生命科学研究部門）
18:06 日野原 伸生 （原子核物理研究部門）
18:18 建部 修見 （高性能計算システム研究部門）
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.7 世界初の６次元シミュレーションを解く！」を公開しました。
宇宙物理研究部門 の吉川准教授の研究を紹介しています。
A paper presented at IWAIT2022 (2022 INTERNATIONAL WORKSHOP ON ADVANCED IMAGE TECHNOLOGY, Hong Kong/online in January 2022) under the research of Professor KAMEDA Yoshinari and Assistant Professor SHISHIDO Hidehiko of the Division of Computational Informatics was selected for the Best Paper Award of the conference.
Our research videos are now available on YouTube.
The videos introduce the research activities of the Department of Computational Medicine, especially the two project teams of (1) Computational Biomolecular Medicine and (2) Big Sleep Data Analysis and Automated Sleep Diagnosis.
筑波大学計算科学研究センターでは、最先端の計算科学を医学と連携させる新たな取組みとして「医計連携」を創出する「計算メディカルサイエンス事業」を推進しています。
本動画では、計算メディカルサイエンス事業の4つのプロジェクトチームのうち、(1) 計算生体分子医科学 および (2) 睡眠ビッグデータ解析・自動診断 について、その研究の内容と最新の成果を紹介しています。
『計算生体分子医科学』プロジェクトチーム
『睡眠ビッグデータ解析・自動診断』プロジェクトチーム
令和4年1月7日
計算科学研究センター・センター長 朴泰祐
我々，筑波大学計算科学研究センター（以下，CCS）はACM Gordon Bell Prize（ゴードン・ベル賞 以下，GBP）に関し長い歴史を持っています。最も古くは1996年，CCSの前身である計算物理学研究センターが日立製作所と共同で開発したCP-PACSを用い，素粒子物理学のQCD計算でGBPに初チャレンジしました。CP-PACSはその年の11月のTOP500リストにおいて世界第一位にランクされましたが，残念ながらGBPの方はファイナリストに残ることができませんでした。
その後，2011年にスーパーコンピュータ「京」のフルシステムの完成を前に，CCSと理化学研究所・計算科学研究機構(現在の理化学研究所・計算科学研究センターR-CCSの前身)との間で，「京」の上での大規模計算科学アプリケーション開発の共同研究が行われ，その中の一つとして物性第一原理計算であるRSDFT (Real Space Density Function Theory)アプリケーションの開発を行いました。このコードは元々，CCSの押山淳教授・岩田潤一研究員を中心とする物性研究チームと，朴泰祐教授・高橋大介准教授・辻美和子研究員を中心とする高性能計算研究チームの協力の下，T2K-Tsukubaを対象に開発されたものでしたが，「京」に移植するにあたり，前人未到の10万原子問題にチャレンジし， 2011年のGBPのファイナリストに選出，そして受賞者となりました。これに続き，2012年には石山智明研究員が中心となり，「京」を用いたダークマターの重力計算ツリーアルゴリズムを用いた実装により，再びGBPのファイナリストに選出され受賞者となりました。2011年の受賞では「京」は世界最高性能システムとしてTOP500で1位となっていましたが，2012年には「京」の約2倍のピーク性能を持つ米国Lawrence Livermore National LaboratoryのSequoia (IBM BG/Q)上で同種のアプリケーションがやはりGBPのファイナリストに選出されていました。しかし，「京」における石山研究員らの実装の効率が非常に高く，計算上の工夫も優れていたことが評価され，受賞につながりました。（※文中の所属・肩書きは当時のものです）
このように，CCSでは2011年と2012年の2年連続でGBPのファイナリスト選出及び受賞者となった実績があります。なお，国内の他の研究機関で，「京」を保有している理化学研究所を除き，2度のGBP受賞者となった研究機関はCCSだけです（honorable mentionなどを除く）。このことは強力な研究体制，計算科学と計算機科学の両分野の研究者の密な共同研究に基づくcodesign（コデザイン）能力，世界トップクラスのスーパーコンピュータの特性を知り抜いた研究者集団という，CCSの研究力が存分に発揮された結果です。
2021年，宇宙物理学研究部門の吉川耕司准教授・京都大学の田中賢研究員・東京大学の吉田直紀教授のグループによるスーパーコンピュータ「富岳」を用いた6次元Vlasov方程式の求解による宇宙ニュートリノ数値シミュレーションがGBPにチャレンジし，CCSとしては9年ぶりにファイナリストに選出されました。残念ながら受賞者には選ばれませんでしたが，特筆すべきは「富岳」が2021年時点でも世界最高性能計算機としてTOP500リストにランクされている状況で，この研究が唯一GBPファイナリストに選ばれたという点です。2021年は「富岳」登場の前に世界最高性能計算機であったOak Ridge National LaboratoryのSummitや，中国の最新システム new Sunway Supercomputerなどが登場しており，GBPの競争も熾烈なものでした。その中で，吉川准教授らの研究が「富岳」を用いてファイナリストに残ったことはCCSとしての大きな成果であると言えます。このコードは「富岳」の特徴であるArmアーキテクチャに基づくSVE (Scalable Vector Extension)命令セット，メモリの特性，Tofu-Dネットワークなどを最大限に利用し，高い効率の演算と世界最大規模のVlasovシミュレーションを実現したものであり，CCSの宇宙物理研究部門及び吉川准教授の長年の経験と，計算科学に対する地道な研究の結果であります。
CCSでは，今後もACM GBPに限らず，あらゆる高性能計算と計算科学の成果に対するチャレンジを続けていきます。
関連動画：『ゴードン・ベル賞ファイナリストに聞きました！「富岳」を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーション。』（企画・制作 一般財団法人 高度情報科学技術研究機構）
関連動画：『富岳を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーション | 筑波大学計算科学研究センター』（製作 筑波大学計算科学研究センター 吉川耕司准教授）
Researchers led by the University of Tsukuba present an improved way to model interactions between matter and light at the atomic scale
Tsukuba, Japan—Light-matter interactions form the basis of many important technologies, including lasers, light-emitting diodes (LEDs), and atomic clocks. However, usual computational approaches for modeling such interactions have limited usefulness and capability. Now, researchers from Japan have developed a technique that overcomes these limitations.
In a study published this month in The International Journal of High Performance Computing Applications, a research team led by the University of Tsukuba describes a highly efficient method for simulating light-matter interactions at the atomic scale.
What makes these interactions so difficult to simulate? One reason is that phenomena associated with the interactions encompass many areas of physics, involving both the propagation of light waves and the dynamics of electrons and ions in matter. Another reason is that such phenomena can cover a wide range of length and time scales.
Given the multiphysics and multiscale nature of the problem, light-matter interactions are typically modeled using two separate computational methods. The first is electromagnetic analysis, whereby the electromagnetic fields of the light are studied; the second is a quantum-mechanical calculation of the optical properties of the matter. But these methods assume that the electromagnetic fields are weak and that there is a difference in the length scale.
“Our approach provides a unified and improved way to simulate light-matter interactions,” says senior author of the study Professor Kazuhiro Yabana. “We achieve this feat by simultaneously solving three key physics equations: the Maxwell equation for the electromagnetic fields, the time-dependent Kohn-Sham equation for the electrons, and the Newton equation for the ions.”
The researchers implemented the method in their in-house software SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience), and they thoroughly optimized the simulation computer code to maximize its performance. They then tested the code by modeling light-matter interactions in a thin film of amorphous silicon dioxide, composed of more than 10,000 atoms. This simulation was carried out using almost 28,000 nodes of the fastest supercomputer in the world, Fugaku, at the RIKEN Center for Computational Science in Kobe, Japan.
“We found that our code is extremely efficient, achieving the goal of one second per time step of the calculation that is needed for practical applications,” says Professor Yabana. “The performance is close to its maximum possible value, set by the bandwidth of the computer memory, and the code has the desirable property of excellent weak scalability.”
Although the team simulated light-matter interactions in a thin film in this work, their approach could be used to explore many phenomena in nanoscale optics and photonics.
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This research was supported by MEXT as a priority issue (theme 7) to be tackled using the Post-K Computer; by JST-CREST (grant number JP-MJCR16N5); and by the MEXT Quantum Leap Flagship Program (MEXT Q-LEAP, grant number JPMXS0118068681).
The article, “Large-scale ab initio simulation of light-matter interaction at the atomic scale in Fugaku,” was published in The International Journal of High Performance Computing Applications at DOI: https://doi.org/10.1177/10943420211065723
Professor YABANA Kazuhiro
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
2022年1月6日
国立大学法人筑波大学
国立大学法人神戸大学
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
概要
先端のレーザー技術を用いた光科学の研究では、極めて強く短いパルス光を物質に照射することにより、多くの新奇な現象が発見されています。これらの現象を理解するためには、光を照射した物質の内部で起こる、電子やイオンのミクロな運動を解明することが必要です。本研究では、スーパーコンピュータ「富岳」を用い、１万を超える原子を含むナノ物質の光応答の第一原理計算に、世界で初めて成功しました。
物質に光を照射すると、振動する光の電場により、物質中の電子とイオンが揺すられます。この電子やイオンの運動が光の伝搬に影響し、光の屈折や反射が起こります。このような光科学現象を解明するには、光の電磁場、電子、そしてイオンの運動を、物質科学の第一原理計算法に基づき同時に記述することができるオープンソースソフトウェアSALMONによる計算が有効です。本研究では、「富岳」の性能を生かした計算を行うため、理論物理学と計算機科学の研究者が密接に協力し、SALMONに対する高度なチューニングを行い、「富岳」の全システムのおよそ1/6を用いた10万以上のプロセスからなる並列計算により、約6ナノメートルの厚さを持つ酸化ケイ素ガラスの薄膜と高強度なパルス光の非線形光応答を調べることに成功しました。
筑波大学計算科学研究センターでは、最先端の計算科学を医学と連携させる新たな取組みとして「医計連携」を創出する「計算メディカルサイエンス事業」を推進しています。
本動画ではイントロダクションとして事業全体をご紹介します。
各４グループの研究紹介についても、順次動画を公開予定です。
