第4回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム 平成24年度 学際共同利用成果報告会

開催案内

主催 筑波大学 計算科学研究センター
日時 平成24年10月25日(木) 9:00~18:00
会場 筑波大学 計算科学研究センター ワークショップ室
参加費 無料

プログラム

●発表10分+質疑3分

【座長】矢花一浩(計算科学研究センター)
9:00 「大規模固有値問題の並列アルゴリズムとその高性能実装技術の開発 」(FMOMO, H4ES)
櫻井 鉄也(筑波大学)
9:13 「原子レベルからのマルチスケール電気・熱伝導シミュレーション」(CMSLAB)
小林 伸彦(筑波大学)
9:26 「有限密度QCD」(XQCD)
武田 真滋(金沢大学)
9:39 「格子QCDによる K中間子崩壊振幅の研究」(KPIPI)
石塚 成人(筑波大学)
9:52 「生体高分子の機能メカニズムにおけるダイナミクスの役割」(QMMM)
舘野 賢(兵庫県立大学)
10:05 「First-principles based investigation of reaction on surfaces」(KASAIDYN)
Mohammad Kemal Agusta(大阪大学)
10:18 「次世代スーパーコンピュータに向けたグランドチャレンジ・アプリケーションの開発」 (PFLOPS)
高橋 大介(筑波大学)
休憩(10:31-10:45)
【座長】白石賢二(計算科学研究センター)
10:45 「格子QCDによるチャーモニウム・ハドロン相互作用の研究」(DWFHYP, CHARMNUC)
佐々木 勝一(東北大学)
10:58 「物理的クォーク質量における2+1/1+1+1フレーバー格子QCD」(LATTICE)
藏増 嘉伸(筑波大学)
11:11 「オーダーN 法 DFT 計算プログラムの大規模並列化と応用計算」(NIMSCQ)
宮崎 剛(物質・材料研究機構)
11:24 「原子核におけるα粒子凝縮」(KGUALPHA)
船木 靖郎(理研仁科センター)
11:37 「NICAMを用いた気候変動研究」(GEO)
寺崎 康児(国立極地研究所、筑波大学)
11:50 「系統樹探索のための最適化アルゴリズムの構築」(TREEOPT)
田邉 晶史(京都大学)
12:03 「銀河バイアスの理解に向けた宇宙論的スケールでのハロー・サブハローの大域的分布の研究」(GALSTAT)
西道 啓博(東京大学)
昼食(12:16-13:00)
【座長】 金谷和至(計算科学研究センター)
13:00 「複雑地形・都市を対象とした並列版LESモデルの開発とWRFモデルによる都市気候シミュレーション」(LES)
日下 博幸(筑波大学)
13:13 「格子QCDを用いた軽い原子核の研究」(LATNUC)
山崎 剛(名古屋大学)
13:26 「実空間密度汎関数コード"RSDFT"の開発と応用」(MAT)
岩田 潤一(東京大学)
13:39 「Vlasov方程式の直接数値計算による無衝突自己重力系のシミュレーション」(VLASOV)
吉川 耕司(筑波大学)
13:52 「ナノワイヤ型Siデバイスにおけるキャリア輸送および熱輸送に関する分子動力学シミュレーション」(EMCMD)
神岡 武文(早稲田大学)
14:05 「生体システムにおける分子メカニズムの理論的解明」(LSC)
庄司 光男(筑波大学)
14:18 「Cosmic evolution of galaxy」(GALEVO)
清水 一紘(大阪産業大学)
休憩(14:31-14:45)
【座長】橋本哲男(計算科学研究センター)
14:45 「気象研究所気候モデルMRI-CGCM3のT2Kへの移植: 性能評価と火山エアロゾルの予備実験」(MRIENV)
田中 泰宙(気象研究所)
14:58 「QCDによるバリオン間相互作用の研究」(BBILQCD)
井上 貴史(日本大学)
15:11 「モンテカルロ殻模型によるエキゾチックな核構」(MCSM)
清水 則孝(東京大学)
15:24 「RSPACEを用いた第一原理電子構造・輸送特性シミュレーション」(PSTCP)
小野 倫也(大阪大学)
15:37 「宇宙輻射流体による天体形成シミュレーション」(ASTRO)
梅村 雅之(筑波大学)
15:50 「超巨大データにおける系統樹の信頼性評価バイアス」(TREEBOOT)
田邉 晶史(京都大学)
16:03 「高強度パルス光と固体の相互作用に対する第一原理計算」(TDDFT)
矢花 一浩(筑波大学)
16:16 「TDDFT計算による重イオン核反応解析」(NUCLDFT)
矢花 一浩(筑波大学)
休憩(16:29-16:40)
【座長】梅村雅之(計算科学研究センター)
16:40 「ポストペタスケールコンピューティングのためのプログラミングモデルの研究 」(FP3C)
佐藤 三久(筑波大学)
16:53 「T2K-Tsukubaによる数値銀河考古学の研究」(GALAXIES)
森 正夫(筑波大学)
17:06 「phylogenomicデータの解析によるパルピトモナスの系統的位置の検証」(REALPHYL)
稲垣 祐司(筑波大学)
17:19 「原子核の密度汎関数理論を用いた二重ベータ崩壊行列要素と基底状態の計算」(TKBNDFT)
寺崎 順(筑波大学)
17:32 「Skyrme-QRPA for nuclear collective dynamics with HPC」(NQRPA)
寺崎 順(筑波大学)
17:45 「格子QCDによるpi-K系の散乱位相の研究」(HADSCAT)
佐々木 潔(東京工業大学)
17:58 「イノベーションを加速する最適化シミュレーション手法の開発」(SSALGO)
飯塚 幹夫(高度情報科学技術研究機構)

【つくば賞授賞式】青木慎也教授、石井理修准教授がつくば賞(平成24年度)を受賞しました

財団法人茨城県科学技術振興財団 第23回つくば賞ほかの授賞式・受賞記念講演会が、10月17日(水)、つくば国際会議場で行われました。つくば賞には、筑波大学計算科学研究センターの青木慎也(あおき・しんや)教授、石井理修(いしい・のりよし)准教授、理化学研究所の初田哲男(はつだ・てつお)主任研究員が選ばれており、賞状、メダルなどを受け取りました。授賞式は、第9回江崎玲於奈賞、第22回つくば奨励賞も合わせて行われました。

記念撮影
左から、江崎玲於奈理事長、青木慎也教授、石井理修准教授、初田哲男主任研究員、橋本 昌・茨城県知事。

対象となった研究主題は「格子量子色力学に基づく核力の研究」。素粒子・原子核物理にまたがる未解決の問題を理論的に最定式化し、スーパーコンピュータを用いた大規模数値計算によって解明に導きました。これは、湯川秀樹以来の「核力」の問題に解答を得たと同時に、素粒子・原子核物理の新たな地平を拓いたという意義を持ちます。

青木教授による受賞記念講演では、まず「核力」「量子色力学」「格子」の意味をじっくり説明したうえで、研究の概要について述べました。研究内容の一方で、研究の足取りについても語りました。3人の共同研究は2005年頃から始まり、2006年に高エネルギー加速器研究機構に新規導入されたスパコンを使い、2007年に論文を発表。それが評価されて今回の受賞に至りました。

青木慎也教授の受賞コメント再掲
「この度は、つくば賞という素晴らしい賞に選ばれ、光栄であると同時に大変うれしく思っています。筑波大学の同僚をはじめとする多くの方々の協力なしに、この研究を成し遂げることはできませんでした。ここに感謝いたします。
この研究に関しての最初の論文を発表してからすでに5年が経ちました。しかし、我々の提案した方法の発展や応用はまだ続いており、研究は発展途上です。さらに良い成果を積み重ねて、この研究分野を完成させるために、よりいっそうの努力をしていきたいと考えています。」


スピーチする青木教授(左)と石井准教授(右)

関連URL

筑波大学HP受賞・表彰 http://www.tsukuba.ac.jp/cgi-bin/awards/award.cgi
仁科加速器研究センター|初田哲男主任研究員/副センター長(初田量子ハドロン物理学研究室)らが第23回つくば賞を受賞 http://www.nishina.riken.jp/news/2012/20121019.html

筑波大学 計算科学研究センター設立20周年記念シンポジウム -エクサスケールコンピューティングへの学際計算科学の展開-

筑波大学開学40+101周年記念事業
第3回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム

開催案内

主催 筑波大学 計算科学研究センター
日程 平成24年9月7日(金) 10:00~18:00
会場 つくば国際会議場(エポカルつくば) 中ホール300 (交通アクセス)
懇親会 18:30~20:30(つくば国際会議場内レストラン エスポワール)
参加費 シンポジウム無料、懇親会4000円
プログラム こちら

120801[pdf 336KB]

参加申込み

事前登録は終了しました。当日、直接会場にお越しください。

シンポジウムの参加は無料です。
懇親会(会費4,000円)に参加されない場合でも登録をお願いします。

電源および無線LANについて:以下の2点を予めご了承ください
・座席に電源はついておりません。延長コードを用意しますが、参加される皆様全員には行き渡りません。
・無線LANは室内とロビーに用意いたしますが、一度に接続できる機器の数に限りがあります。

開催趣旨

 筑波大学計算科学研究センターは、前身の計算物理学研究センターが平成4年に設立されて以来、本年で20年を迎えることになりました。

 これまで本センターでは、平成4年度に計算物理学研究センターで開発された「超並列計算機CP-PACS」(1996年TOP 500世界1位)をはじめとして、平成17年度には「超並列クラスタPACS-CS」を開発するなど、最先端の大規模計算機の開発を行い、素粒子物理学を始めとする様々な大規模計算科学の研究を進めてきました。

 これらの大規模計算設備は共同利用・共同研究拠点「先端学際計算科学共同研究拠点」が実施する学際共同利用プログラムにおいて共同研究の大規模計算機設備として運用され、諸科学の計算科学の研究者とそれを支える計算機科学の研究者の密接な協力関係の下、最先端の大規模計算科学を推進してきました。

 20周年を迎えた本年、「筑波大学計算科学研究センター設立20周年記念シンポジウム」を開催いたします。スーパーコンピュータ「京」やそれを取り巻くHPCIの整備が運用の段階に入る中、これからエクサスケールに向かう計算科学の検討を本格化する時期に来ています。本シンポジウムでは、これまでの本センターでの活動を振り返り、それを踏まえ、エクサスケールコンピューティングにおいて、CP-PACS以来センターが推進してきた学際計算科学の役割を議論します。

プログラム

開会挨拶
10:00-10:05 開会挨拶
来賓挨拶・招待講演
10:05-10:15 学長挨拶
山田 信博(筑波大学 学長)
10:15-10:30 来賓挨拶
澤川 和宏(文部科学省研究振興局学術機関課長)
10:30-11:00 "Past 20 years and future of CCS – Overlapping with personal history -"
岩崎 洋一 (高エネルギー加速器研究機構 監事)
11:00-11:40 "Center for Computational Sciences – the crossroad between computational science and computer science -"
宇川 彰 (筑波大学 副学長・理事)
11:40-12:00 「計算科学研究センターのこれからの十年にむけて」
佐藤 三久 (筑波大学計算科学研究センター センター長)
昼食(12:00-13:00)
13:00-13:45 招待講演:
"International HPC – Building a Bigger Pyramid"
Richard Kenway(Vice Principal, Computational Science, National e-Science Centre)
13:45-14:30 招待講演:
"Titan: The importance of realizing hierarchical parallelism in the hybrid multicore era"
Julia C. White(Program Manager, INCITE, Oak Ridge National Laboratories)
coffee break(14:30-14:45)
講演:エクサフロップスに向けて
14:45-15:10 「演算加速機構を持つ将来のHPCIシステムに関する調査研究の概要」
佐藤 三久 (筑波大学計算科学研究センター センター長)
15:10-15:35 「エクサスケールシステムソフトウェア要件」
石川 裕 (東京大学大学院情報理工学系研究科 教授)
15:35-16:00 "Design Space Exploration of the Vector Processor Architecture using 3D Die-Stacking Technology"
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)
16:00-16:25 「ポスト京からエクサフロップス機への取組み~アプリケーションサイドから」
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)
計算科学パネルセッション
16:40-18:00

計算科学パネルセッション-HPCの過去・現在・未来-
モデレーター:
・梅村 雅之 (筑波大学計算科学研究センター 副センター長)
パネリスト:
・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)
・観山 正見 (広島大学 特任教授、前国立天文台長 )
・重田 育照 (大阪大学大学院基礎工学研究科 准教授)
・藏増 嘉伸 (筑波大学計算科学研究センター 准教授)
・北川 博之 (筑波大学計算科学研究センター 教授)
・田中 博  (筑波大学計算科学研究センター 教授)

懇親会(18:30-20:30)

招待講演

Titan: The importance of realizing hierarchical parallelism in the hybrid multicore era

Julia C. White(Program Manager, INCITE, Oak Ridge National Laboratories)

The U.S. Department of Energy’s Office of Science is deploying through the Leadership Computing Facility program a 20+ petaflop Cray XK6 system in support of its basic and applied science missions. The heterogeneous architecture of “Titan” represents the future trend of high-performance systems on the path to exascale, and introduces additional levels of complexity in potential parallelism that researchers can exploit. Titan will be housed in the Oak Ridge Leadership Computing Facility at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in the U.S. Julia White, INCITE program manager from ORNL, will describe the Titan system and several scientific applications selected for early transition to the GPU-based Titan. White will also describe the science missions enabled by Titan and the mechanisms for allocation if this resource.

お問い合わせ

シンポジウムに関するお問い合わせは電子メールにて、 
sympo2012[at]ccs.tsukuba.ac.jp 
までお送り下さい。

※スパム防止のためアットマークを[at]と表記しています。

XXIst International Symposium on the Jahn-Teller Effect

Important dates
21 September: deadline for paper submission
26 August 2012: welcome party
27-31 August 2012: conference

Sponsors:
University of Tsukuba
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
The Insutitute of NATURAL SCIENCES, College of Humanities & Sciences, Nihon University
Izumi Science and Technology Foundation
The Kyoto University Foundation
Tsukuba Expo’85 Memorial Foundation
Tsukuba Tourist and Convention Association (TTCA)
ScienceX Corporation

Auspices:
The Physical Society of Japan
The Chemical Society of Japan

Please see here for more details.

【受賞】青木慎也教授、石井理修准教授がつくば賞(平成24年度)を受賞しました

筑波大学計算科学研究センターの青木慎也教授、石井理修准教授、理化学研究所の初田哲男主任研究員が、第23回つくば賞(平成24年度)を受賞しました。対象となった研究主題は「格子量子色力学に基づく核力の研究」。授賞式は10月17日の予定です。

詳細は、茨城県科学技術振興財団ホームページ第9回江崎玲於奈賞、第23回つくば賞・第22回つくば奨励賞受賞者をご覧ください。

青木慎也教授の受賞コメント

「この度は、つくば賞という素晴らしい賞に選ばれ、光栄であると同時に大変うれしく思っています。筑波大学の同僚をはじめとする多くの方々の協力なしに、この研究を成し遂げることはできませんでした。ここに感謝いたします。
この研究に関しての最初の論文を発表してからすでに5年が経ちました。しかし、我々の提案した方法の発展や応用はまだ続いており、研究は発展途上です。さらに良い成果を積み重ねて、この研究分野を完成させるために、よりいっそうの努力をしていきたいと考えています。」

(ロゴ掲示イメージ用)計算科学社会実装推進室

室長 大谷 実 教授

 筑波大学では第4期中期目標・計画において、ニーズドリブン型産学共同研究を推進し、社会変革につながる共創的イノベーションの創出を目指しています。 計算科学研究センターでは、この目標を達成するために、センター内における産学連携活動の強化を行い、センターで継続的に開発している計算技術やシミュレーションプログラムなどの社会実装を推進するために、2022年度に計算科学社会実装推進室を新設しました。

 

  • 計算科学の社会実装

 計算科学技術の社会実装を通じ、社会問題の解決や産業の発展に貢献することを目指します。例えば、計算科学技術を利用して、環境問題の解決や医療診断法の開発、社会システムの最適化や防災対策など、現代社会が抱える問題を解決することが期待されます。また、ものづくり産業においても、生産プロセスの最適化や製品開発などに計算科学技術が積極的に応用されることが期待されており、産学関係者による共同研究やコラボレーションを推進していきます。

 

  • 社会人博士の受け入れ

計算科学研究センターでは、社会人博士の受け入れを行なっています。

【社会人博士として在籍した方の所属企業例】

日本電気株式会社(NEC) 富士通株式会社 日本電信電話株式会社(NTT) 計算科学研究センター
   

 

 

 

HA-PACS 最先端共同HPC基盤施設    
   

(順不同)

  • 広報室との連携

 計算科学研究センターに設置されている広報・戦略室と連携することにより、我々が開発している計算技術やシミュレーションプログラムに関する情報を発信し、様々な人々に広く知ってもらうための活動も行います。ウェブサイトやSNSを活用して様々な情報を発信します。具体的には、社会実装を目指したセミナーの告知や報告、研究成果の紹介、産業界との共同研究の情報などを可能な限り公開し、さらなる連携の拡大に取り組みます。

 

  • 活動内容
    • 国際産学連携本部と緊密に連携して、大型の共同研究を創出する。
    • 広報・戦略室と連携し、Webページ等でセンター所属研究員の産学連携活動を周知する。
    • 研究会等を実施して、センター内の研究シーズと産業界のニーズのマッチングをはかる。
    • センターが保有するスーパーコンピュータを用いたチュートリアルを企画・実施する。
    • 企業と連携し、計算科学が生み出すデータの積極的な活用を検討する。

 

SiC/SiO2材料の境界面に生じる負の電荷の原因を解明-次世代パワーデバイス設計指針を計算科学によって構築-

プレスリリース

平成24年6月8日
筑波大学
つくばイノベーションアリーナナノテクノロジー拠点運営最高会議
つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション(TPEC)

印刷用PDF [315KB]

ポイント

筑波大学計算科学研究センターの神谷克政助教と白石賢二教授を中心とする研究グループは、SiC/SiO2材料の境界面に生じる「負の固定電荷」の原因を解明しました。SiCは、省エネルギー社会実現の決め手となる次世代パワーデバイス(電力用半導体素子)開発に、最も適した材料と考えられています。ところが、表面にSiO2絶縁膜を形成させると、負の固定電荷が発生してしまう問題がありました。今回、その発生原因を解明したことで、SiCによるパワーデバイス開発に大きなブレークスルーを与えることができました。

筑波大学計算科学研究センターは、わが国のナノテクノロジー拠点であるつくばイノベーションアリーナ(TIA-nano)の中核機関であり、TIA-nanoの中でパワーデバイス開発を担当するコンソーシアム、つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション(TPEC)にも参加しています。神谷助教らの研究グループは、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「T2K-Tsukuba」を用い、最先端の計算科学手法「第一原理計算」により、SiC材料表面での化学反応過程を明らかにしました。この研究成果は、米学術誌「Applied Physics Letters」の100巻21号に掲載されました。

1.研究の背景

次世代の省エネルギー社会のあり方として期待される「スマートシティ*1」構想の実現には、画期的なパワーデバイス*2の実現が不可欠と考えられています。パワーデバイスは、送電線から送られる何万ボルトにも及ぶ電圧を、家庭や工場で用いる100 V程度の電圧に変換するときに主力となるデバイスです。家庭内でも近年、インバータ型エアコンの出現で省エネが進んだことはよく知られています。このインバータこそが、パワーデバイスの最も身近で典型的な例です。

省エネルギー社会実現のために不可欠なパワーデバイスですが、その材料には検討の余地が残されています。現在、主流となっているのはシリコン(Si)材料です。しかし、最もパワーデバイスに適した材料と考えられているのは、高い電圧耐性、高い熱伝導度をもつ炭化ケイ素(SiC)です。そのため、SiC材料で構成するパワーデバイスの研究・開発が盛んに行われています。SiをSiCに変えることで極めて高い省エネルギー効率が得られ、今後の超省エネルギー型スマートシティの実現に大きなブレークスルーを与えると考えられています。

パワーデバイスの中心となる「電界効果トランジスタ(MOSFET)」は、図1に示すように電子を取り出す「ソース」、電子が流れる「チャネル」、電子を受けとる「ドレイン」、それに電圧をかけて電子の流れをオン/オフする「ゲート」電極から構成されています。これまではソース、ドレインともにSi材料が用いられ、ゲート電極の下には電極から電流が下地に流れ込んでこないようにする絶縁膜として酸化ケイ素(SiO2)が用いられてきました。「チャネル」材料をSiからSiCに転換することで、大きな省電力効果が得られると考えています。

ところが、SiをSiCに変えたうえで絶縁膜であるSiO2を熱酸化によって形成するとき、大きな問題が生じることが知られています。代表的なSiCの熱酸化方法として、水によって酸化を進めるウエット酸化があります。酸化が速いために量産性の点で適していますが、この方法によって形成されたSiC/SiO2界面には、大量の負の固定電荷が生じます。これがSiCを材料とするMOSFETの特性を悪化させ、その実現を阻んできました。負の固定電荷が発生する原因を解明してそれを抑制することは、SiC材料によるパワーデバイスの実現にとって重要な課題の1つですが、20年近く未解明のままでした。

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図1 電界効果トランジスタ(MOSFET)

2.研究成果

筑波大学計算科学研究センターの神谷克政助教と白石賢二教授を中心とする研究グループは、上記の問題を解決するために、最先端の計算科学手法「第一原理計算」を用いて、原子レベルでSiCのウエット酸化過程で何が起こっているのかをスーパーコンピュータ「T2K-Tsukuba」の中で再現しました。その結果、SiC/SiO2界面に生じる負の固定電荷の原因を世界で初めて解明し、SiC材料で構成される次世代パワーデバイスの実現に大きなブレークスルーを与えました。

SiCが酸化されてSiO2絶縁膜になる際、余った炭素(C)原子がSiO2側に放出されます。放出されたC原子はウエット酸化で用いられる水に含まれる水素原子の影響によって、負の電荷をもつ炭酸イオン(CO3イオン)としてSiO2絶縁膜中に残ります。図2に示すように、SiO2中のC不純物の周囲のSi-O-C結合を水素原子がアタックすると、負電荷をもつ炭酸イオンが形成され、SiC/SiO2界面は負に帯電してしまうのです。

このように、SiC材料で構成されるMOSFETの負の固定電荷の原因が、水素原子の影響による炭酸イオンの形成であることが解明されました。この成果は、米国の学術誌「Applied Physics Letters」100巻21号に掲載されています。

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図2 SiO2中のC不純物の水素の影響による炭酸イオン化
新しい原理から得られるSiCパワーデバイス設計指針。SiCの熱酸化後に水素原子の残存量を低減することで、炭酸イオン(負電荷の起源)の形成を抑制できる。

3.波及効果と今後の展開

負の固定電荷の原因解明は、今後のSiCパワーデバイスの実現に大きな指針を与えることになります。SiC-MOSFETの技術が本研究成果により飛躍的に向上し、SiCパワーデバイスがインフラとして社会に本格的に普及し、スマートシティ実現に多大な貢献をすることが予想されます。今後の省エネルギー社会実現には、パワーデバイスに最も適した材料によるデバイスの実現がキーとなります。

4.TIA-nanoとTPEC

TIA-nano 世界水準の先端ナノテク研究設備・人材が集積するつくばにおいて、世界的なナノテクノロジー研究・教育拠点構築を目指しています。内閣府、文部科学省及び経済産業省からの支援を得て、産業技術総合研究所、物質・材料研究機構、筑波大学、および高エネルギー加速器研究機構が中核機関となり、産業界とも連携した取り組みです。2009年6月に中核機関の代表者及び日本経済団体連合会による共同宣言により誕生しました。

TPEC TIA-nanoを活用してパワーエレクトロニクス・オープンイノベーションの推進を目指す民活型の共同研究体です。2012年4月に発足しました。パワーエレクトロニクスに関連するわが国のグローバル企業が研究開発資金の大半を賄うことで、パワーエレクトロニクスのオープンイノベーション拠点を自立的に運営しています。研究開発と同時に、優秀な人材育成も行います。

5.用語解説

*1 スマートシティ
太陽光や風力など天候によって電力供給が左右される発電を利用する場合に、電力供給量に応じて都市全体としてエネルギー消費量を自動的に制御するシステム。自然エネルギーを用いた発電による社会の実現には不可欠です。

*2 パワーデバイス
発電所、電車、自動車などにおいて電圧変換、直流-交流変換に用いられるデバイス。パワーデバイスの損失の低減が、将来の省エネルギー社会実現へのキーとなります。

6.関連URL

筑波大学計算科学研究センター 量子物性研究部門

つくばイノベーションアリーナ

問い合わせ先

白石賢二
筑波大学計算科学研究センター/数理物質系教授
TEL 029-853-5911 E-mail:shiraishi [at] omas.frsc.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)
神谷克政
筑波大学数理物質系助教
TEL 029-853-5922 E-mail:kkamiya [at] comas.frsc.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)

報道担当:
筑波大学計算科学研究センター広報室
TEL 029-853-6260 E-mail:pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)
筑波大学広報室
TEL 029-859-2040 FAX 029-859-2014

GPUコンピューティングとOpenACCに関するセミナー(2012年5月31日)

本セミナーは終了しました。
講演資料をアップロードしました。(2012/6/1)

日時:2012年5月31日(木)13:00~15:30
場所:筑波大学計算科学研究センター ワークショップ室
主催:筑波大学計算科学研究センター、クレイジャパン

趣旨:
筑波大学計算科学研究センターの大規模GPUクラスタHA-PACSの運用開始にちなみ、GPUコンピューティングの最新情報及び新しいアクセラレータ向け言語拡張であるOpenACCに関するセミナーを開催します。セミナーではNVIDIA社の最新GPU動向、OpenACCの基礎及び応用事例の紹介、HA-PACSの見学会を行います。

プログラム

13:00~13:05  開催挨拶
佐藤三久(筑波大学計算科学研究センター センター長)

13:05~13:30  “NVIDIA GPU コンピューティング最新情報“(日本語)
吉田圭二(エヌビディア ジャパン Tesla Quadro事業部 セールス・マネージャー)

13:30~15:00  “OpenACC: A High Level Parallel Programming Model for Accelerated Computing“(英語)
Luiz DeRose (Sr. Principal Engineer, Programming Environment Director, Cray Inc)

15:00~15:30  “HA-PACSの概要説明と見学”
朴 泰祐(筑波大学計算科学研究センター 副センター長)

講演概要

“NVIDIA GPU コンピューティング最新情報” [pdf]
吉田圭二(エヌビディア ジャパン Tesla Quadro事業部 セールス・マネージャー)

GPUコンピューティングはアカデミック分野の最先端の研究から利用が始まり、徐々に適用分野を広げ、今や多くの分野で活用されてます。今年はNVIDIAのGPUアーキテクチャが一新され、GPUコンピューティングのさらなる飛躍が期待されてます。本講演では2012年5月14日~17日に米国サンノゼで行われたGTC 2012の最新情報をご紹介します。

“OpenACC: A High Level Parallel Programming Model for Accelerated Computing” [pdf]
Luiz DeRose (Sr. Principal Engineer, Programming Environment Director, Cray Inc)

現在のHPCシステムでは各種アクセラレータなどで構成されるヘテロジニアスシステムが台頭して来ています。その大きな課題の一つにプログラミングが非常に複雑になってきている事があります。Crayはこの問題解決の為、コンパイラ、ライブラリ、デバッガ、プロファイラその他開発ツールを相互に応用しプラグラミングの生産性を上げ、効率よく性能を引き出す為の研究開発を行っています。業界標準を目指したOpenACCはディレクティブを用いて、出来るだけ簡単にアクセラレータを活用したプログラム開発を可能にします。今回、OpenACC概要及びそのプログラミング例と性能事例、さらにCray開発ツー ルとOpenACCを組み合わせた利用方法についてもご紹介します。

1. Introduction and motivation
2. OpenACC overview
  o Execution and memory models
  o OpenACC Directives
  o CUDA Interoperability
3. Development cycle of application porting
  o Static analysis of the application (finding “hot loops”)
  o Scoping Analysis
  o Debugging OpenACC applications
  o Performance tuning of OpenACC applications
  o Scientific Libraries support
4. Practical case examples

LBNL and CCS-Tsukuba Joint Workshop 2012

Lawrence Berkeley National Laboratory and University of Tsukuba
March 19-20, 2012

CCS Workshop Room, Center for Computational Science, University of Tsukuba
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573, Japan
https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/eng/

This joint workshop aims at exploring the issues developing possible research collaboration and partnerships between the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) and the Center for Computational Science, University of Tsukuba (CCS-Tsukuba).

AGENDA

Monday, March 19, 2012, CCS Workshop Room

 9:30 – 9:45       Opening Remarks
 
 9:45 – 10:15     Mitsuhisa Sato, CCS-Tsukuba Director, Univ. of Tsukuba
Update of CCS [pdf 3.1MB]

10:15 – 10:45     David Brown, LBNL Division Director, LBNL
Computational Research at Lawrence Berkeley National Laboratory [pdf 5.6MB]

10:45 – 11:15     BREAK

11:15 – 11:45     Taisuke Boku, Univ. of Tsukuba
HA-PACS: A New Challenge for Accelerated Computational Sciences [pdf 2.6MB]

11:45 – 12:15     Costin Iancu, LBNL
Scalable Runtimes for Manycore Systems [pdf 1.1MB]

12:15 – 13:30     LUNCH

13:30 – 14:00     Khaled Ibrahim, LBNL
Efficient Virtualization for HPC Applications [pdf 1.0MB]

14:00 – 14:30     Yuetsu Kodama, Univ. of Tsukuba
Tightly Coupled Accelerator for HA-PACS [pdf 2.7MB]

14:30 – 15:00     Jun Terasaki, Univ. of Tsukuba
Large-Scale Calculations of Excited States of Heavy Nuclei [pdf 3.6MB]

15:00 – 15:30     BREAK

15:30 – 16:00     Peter Nugent, LBNL
Nyx: The Lyman Alpha Forest Cosmology Simulator [pdf 3.2MB]

16:00 – 16:30     Mitsuo Shoji, Univ. of Tsukuba
Computational Bioscience Utilizing Supercomputers: Performance and Applications [pdf 3.1MB]

16:30 – 17:00     DISCUSSION

 

Tuesday, March 20, 2012, CCS Workshop Room

 9:30 – 10:00     Osni Marques, LBNL
The ACTS Project: An Overview and Future Directions [pdf 2.4MB]

10:00 – 10:30     Miwako Tsuji, Univ. of Tsukuba
A Hierarchical Programming Model for Integration of Parallel Components with a Scientific Workflow Toward and Beyond Petascale Computing [pdf 2.0MB]

10:30 – 11:00     BREAK

11:00 – 11:30     Esmond Ng, LBNL
Matrix Computation in Large-Scale Nuclear Structure Calculations[pdf 17.1MB]

11:30 – 12:00     Tetsuya Sakurai, Univ. of Tsukuba
z-Pares: A Complex Moment Based Parallel Sparse Eigenvalue Solver Package [pdf 2.9MB]

12:00 – 12:30     DISCUSSION

 

 

 

 

筑波大学2011 BEST FACULTY MEMBER表彰式(2/28)

計算科学研究センター 高性能計算システム研究部門の髙橋大介准教授が、筑波大学2011 BEST FACULTY MEMBERに選ばれました。表彰式は以下のとおり行われます。式の模様はWeb中継されます。

日 時:2月28日(火)15:00~17:00
場 所:筑波大学 大学会館ホール
式次第:15:00~15:30 表彰式
    15:30~17:00 表彰教員による講演

詳しくは大学ホームページをご覧ください。

平成23年度 年次報告会(2012年2月20日)

日時:2月20日(月)9:30~18:45
会場:計算科学研究センター1F 国際ワークショップ室

計算科学研究センター平成23年度年次報告会を行います。 研究員が、今年度の報告とこれからの計画について発表します。どなたでもご参加いただける公開の報告会ですので、ご興味のある方はご参加ください。

プログラム

セッション1(9:30-11:00 座長:矢花一浩)

9:30 佐藤三久 (高性能計算システム研究部門)

9:45 吉江友照(素粒子物理研究部門)

10:00 児玉祐悦(高性能計算システム研究部門)

10:15 白石賢二(量子物性研究部門)

10:30 山口佳樹(高性能計算システム研究部門)

10:45 仝 暁民 (量子物性研究部門)

セッション2(11:15-12:30 座長:北川博之)

11:15 朴 泰祐(高性能計算システム研究部門)

11:30 寺崎 順(宇宙・原子核物理研究部門)

11:45 高橋大介(高性能計算システム研究部門)

12:00 矢花一浩(宇宙・原子核物理研究部門)

12:15 亀田能成(計算情報学研究部門)

セッション3(13:30-14:45 座長:朴 泰祐)

13:30 梅村雅之(宇宙・原子核物理研究部門)

13:45 北川博之(計算情報学研究部門)

14:00 橋本幸男 (宇宙・原子核物理研究部門)

14:15 塙 敏博(高性能計算システム研究部門)

14:30 石塚成人 (素粒子物理研究部門)

セッション4(15:00-16:15 座長:梅村雅之)

15:00 根村英克(素粒子物理研究部門)

15:15 川島英之(計算情報学研究部門)

15:30 稲垣祐司(生命科学研究部門)

15:45 建部修見(高性能計算システム研究部門)

16:00 前島展也 (量子物性研究部門)

セッション5(16:30-17:45 座長:児玉祐悦)

16:30 田中 博 (地球環境研究部門)

16:45 藏増嘉伸 (素粒子物理研究部門)

17:00 多田野寛人 (高性能計算システム研究部門)

17:15 日下博幸 (地球環境研究部門)

17:30 天笠俊之(計算情報学研究部門)

セッション6(18:00-18:45 座長:佐藤三久)

18:00 小泉裕康(量子物性研究部門)

18:15 庄司光男(生命科学研究部門)

18:30 谷口裕介(素粒子物理研究部門)

新型スーパーコンピュータ「HA-PACS」が稼働開始

プレスリリース

平成24年2月1日
筑波大学

印刷用PDF [205KB]

ポイント

筑波大学計算科学研究センターは、最先端の超並列演算加速器クラスタ型スーパーコンピュータ、密結合並列演算加速機構実証システム「HA-PACS」(Highly Accelerated Parallel Advanced system for Computational Sciences)を平成24年2月1日より稼働開始しました。HA-PACSは、宇宙・素粒子・生命などの研究をけん引する目的で、平成23年度より導入を進めてきました。本システムにより、今後のエクサ1スケールへの展開を視野に入れたアプリケーション開発と、計算科学による成果獲得を目指します。

HA-PACSは、各計算ノードに高性能の演算加速装置を搭載し、コンパクトながら極めて高い演算性能を実現します。2基のCPUと4基のGPU*2を搭載した計算ノード単体のピーク演算性能は2.99テラフロップス(毎秒2兆9900億回)。これはGPUを搭載した超並列クラスタ型スーパーコンピュータのノード単体として世界最高性能となります。本システムは計算ノードを268台結合して構成され、総ピーク演算性能は802テラフロップス(毎秒802兆回)に達します。

計算科学研究センターでは、先端計算科学推進室を中心に分野間連携および学外連携のもと、素粒子・宇宙・原子核・物質・生命・地球環境の各分野におけるブレイクスルーを目指します。また、次世代計算システム開発室においてGPU間の直接通信を可能とする「密結合並列演算加速機構」を開発・実装し、GPU間並列処理の一層の高速化を目指します。

1.概要

国立大学法人筑波大学【学長 山田信博】計算科学研究センター【センター長 佐藤三久】は、宇宙・素粒子・生命などの研究をけん引する最先端の超並列演算加速器クラスタ型スーパーコンピュータ、密結合並列演算加速機構実証システム「HA-PACS」(Highly Accelerated Parallel Advanced system for Computational Sciences)の導入を平成23年度から進めて来ましたが、平成24年2月1日に稼動を開始しました。

本システムは、各計算ノードに従来以上の演算加速装置を搭載し、コンパクトながら極めて高い演算性能を実現する超並列クラスタ型スーパーコンピュータで、今後のエクサスケールまでの展開を視野に入れたアプリケーション開発と計算科学による成果獲得を目指します。

HA-PACSは、米インテル社製の最新CPUを2基と米エヌビディア社製の最新GPUを4基搭載したコンパクトで先進的な計算ノードを268台結合した超並列システムです。ノード単体のピーク演算性能は2.99テラフロップス(毎秒2兆9900億演算)で、これはGPUを搭載した超並列クラスタ型スーパーコンピュータとして世界最高性能となります。システム全体としての総ピーク演算性能は802テラフロップス(毎秒802兆演算)に達します。

現在、高性能計算システム分野ではGPUを用いたクラスタ型計算機が注目されており、日本国内でも東京工業大学のTSUBAME2.0が国内最高性能のGPUクラスタとして稼働中です。しかし、これらのGPUクラスタではGPUとCPU間の通信チャネル性能に限界があり、ノード内のGPU数の制限やこの通信チャネル部分が性能ボトルネックとなるケースがありました。HA-PACSに搭載される最先端CPUでは、従来機の4倍に相当する高性能なPCI Express*3チャネルが提供され、4基のGPUを通信ボトルネックなしにCPUと結合しています。これにより、GPUの持つ本来の性能を最大限に活かすことが可能になりました。

計算科学研究センターではHA-PACSを使って、様々な計算科学アプリケーションの開発と演算加速装置向けアルゴリズムの開発を進めていきます。先端計算科学推進室を中心として、素粒子・宇宙・原子核・物質・生命・地球環境の各分野におけるブレイクスルー達成のために、分野間連携および学外連携のもと、主要アプリケーションのホットスポット解析とGPU化を進めています。これらのアプリケーション開発は、HA-PACSの大規模並列資源を長時間占有使用することで加速され、加えてセンター内の計算機科学研究者との協業により、システム特性を活かした次世代演算加速システムにつながる成果が得られるものと期待されます。

また、GPUに代表される演算加速装置を用いた並列処理において、演算加速装置間の通信には大きな問題があり、現状ではCPUの助けを借りた間接的通信のみが可能です。計算科学研究センターでは「密結合並列演算加速機構」と呼ばれる新たなノード間通信機構を開発中であり、これにより従来不可能だった計算ノードをまたいだGPU間の直接通信を可能とします。現在この機構のハードウエア及びソフトウエアのプロトタイプ開発が進められており、今回、稼働開始するHA-PACSの機能拡張として、密結合並列演算加速機構を実装する計画です。これにより、GPU間の並列処理が一層加速され、幅広い科学技術計算の性能が加速されることが見込まれます。

2.背景

10ペタフロップス級のスーパーコンピュータが京速コンピュータ「京」によって実現された現在、演算性能をエクサフロップス級まで高めるための研究がすでに始まっています。しかし、1台の計算機で使用可能な電力や設置面積の制限から、このような超高性能を実現することはますます難しくなっており、何らかの演算加速装置を持つシステムが不可欠です。これらのシステムには、演算加速装置とCPUの間の通信や、並列演算加速装置間の通信における様々なボトルネックが存在します。加えて、超並列規模の演算加速装置を用いた大規模プログラムの開発には、アルゴリズムレベルからの改良など大きな人的コストと時間がかかります。

筑波大学計算科学研究センターでは、高密度超並列GPUクラスタを、最先端コモディティ技術と我々独自の技術の組合せにより実現し、これらの問題に挑戦します。このための研究基盤がHA-PACSです。最先端CPUとGPUの組み合わせによる超並列GPUクラスタを従来にない規模で定常的に並列利用することにより、エクサスケール時代につながる演算加速型アプリケーションの開発と、我々が提唱する密結合並列演算加速機構アーキテクチャに基づく次世代GPUクラスタを実現します。ここで培われたハードウエア及びソフトウエアのシステム開発技術をエクサスケールシステム実現への基盤技術として熟成していきます。

3.開発経緯

計算科学研究センターは、平成23年度から文部科学省の国立大学法人運営費交付金特別経費を受け、3カ年計画で「エクサスケール計算技術開拓による先端学際計算科学教育研究拠点の充実」事業(責任者 センター長 佐藤三久)を推進しています。

この事業は、超並列演算加速型クラスタ計算機「HA-PACS」を開発・製作し、これを用いて宇宙・素粒子・生命の先端的な研究を推進し、さらに次世代の演算加速型並列システムの要素技術となる密結合並列演算加速機構の技術開発を行うものです。HA-PACSの基本部分となる超並列GPUクラスタは最先端コモディティ技術に基づくCPUとGPUを搭載したシステムとして調達します。密結合並列演算加速機構については、計算科学研究センターにおいてハードウエアからアプリケーションまでの開発を行い、HA-PACSの拡張部分として実装していきます。

4.成果

システムの特徴
HA-PACSは、268台の計算ノードを2本の並列QDR InfiniBandネットワーク4でFat Tree結合した超並列型のGPUクラスタ計算機です。全体で802テラフロップス(毎秒802兆回)のピーク計算性能、34テラバイトのメモリ、504テラバイトの共有ディスクを持っています。計算科学の大規模計算を実現可能とする特徴は次のとおりです。

1) 豊富なPCI Expressチャネル数を持つ米インテル社の最新CPUであるE5 (SandyBridge-EP)プロセッサを2基搭載することにより、4基の最新型GPU(米エヌビディア社製Tesla M2090)をストレスなくCPUと結合させることを可能にした。これにより、GPUへの通信性能を損なうことなく、2.99テラフロップスという世界最高のノード単体性能を2U相当のコンパクトな構成で実現した。

2) 最新GPU技術とCPU技術を最大限に利用した結果、802テラフロップスのピーク演算性能をわずか26台のラックにコンパクトに実装し、総電力も428kWに抑えた。

3) 2系統のFat Tree構成のQDR InfiniBandネットワークにより、2.1テラバイト/秒のバイセクションバンド幅を持つ超高性能並列ネットワークで全ノードを結合し、ノード間に偏りのない並列通信性能と共有ファイルシステムへのアクセスを実現した。

4) InfiniBandネットワークを介して全ノードと結合される504テラバイトのLustreファイルシステムによる共有ファイルシステムを提供し、全ノードに均質なI/O機能と性能を提供した。

5.関連情報

「HA-PACS」プロジェクト特設ページ

6.用語解説

*1 エクサ
10の18乗。ペタ(10の15乗)の1000倍。エクサフロップスとは、現在、京速コンピュータ「京」が持つ10ペタフロップスの性能の100倍、すなわち毎秒100京回の演算性能に相当する。

*2 GPU
Graphics Processing Unitの略。本来PCサーバにおけるグラフィクス処理を目的として作られた専用プロセッサだが、近年はその高い演算性能とメモリバンド幅を利用した高性能計算への転用が活発化している。

*3 PCI Express
PCサーバにおいてCPUとネットワーク、ハードディスク、GPUなどあらゆる周辺機器を接続するための標準バス。米インテル社製の最新CPUであるSandyBridge-EPでは、PCI Expressの最先端規格であるGeneration 3を標準サポートし、さらに1 CPUあたり40本ものPCI Express I/Oチャネルを提供する。これにより、CPUあたり2基のGPUをストレスなしに接続可能となっている。

*4 QDR InfiniBandネットワーク
高性能クラスタ型計算機で多用される高性能ネットワーク。Ethernetなどに比べて数倍~数十倍の通信性能を持ち、さらに数百~数千ノード規模のシステムをFat Treeと呼ばれるネットワーク構成で結合可能。

問い合わせ先

佐藤三久(研究代表者)
筑波大学計算科学研究センター長/システム情報系教授
TEL 029-853-6485 E-mail:msato [at] cs.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)

朴 泰祐(HA-PACS開発担当主査)
筑波大学計算科学研究センター/システム情報系教授
TEL 029-853-5518 E-mail:taisuke [at] cs.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)

報道担当:
筑波大学計算科学研究センター広報室
TEL 029-853-6260 E-mail:pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp([at]を@に変えてください)

FIRST STARS IV (May 21-25, 2012)

FIRST STARS IV – From Hayashi to the Future –

May 21-25, 2012, at Heartpia Kyoto, Japan

Sponsored by:
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University
Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, University of Tokyo
Japan Society for Promotion of Science

Inportant dates:
Feb. 29 (Wed.), 2012: Abstract submission deadline
Mar. 31 (Sat.), 2012: Registration deadline
May 20 (Sun.), 2012: Welcome reception
May 21 (Mon.) – 25 (Fri.), 2012: Conference

Please see here for more details.

“K computer” Research Results Awarded ACM Gordon Bell Prize

Press Release

RIKEN
University of Tsukuba
The University of Tokyo
Fujitsu Limited
November 18, 2011
[pdf] 203KB
 

“K computer” Research Results Awarded ACM Gordon Bell Prize

Genuine application achieves execution performance of over 3 petaflops


Tokyo and Tsukuba, Japan, November 18, 2011 – A research group from RIKEN, the University of Tsukuba, the University of Tokyo, and Fujitsu Limited today announced that research results obtained using the “K computer” were awarded the ACM Gordon Bell Prize (*1), Peak-Performance at SC11, the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis taking place in Seattle, on November 17 (US Pacific Standard Time).

The award-winning results, presented at SC11, revealed the electron states of silicon nanowires, which have attracted attention as a core material for next-generation semiconductors. To verify the computational performance of the K computer, quantum-mechanical computations were performed on the electron states of a nanowire with approximately 100,000 atoms (20 nanometers in diameter and 6 nanometers long), close to the actual size of the materials, and achieved execution performance (*2) of 3.08 petaflops (representing execution efficiency of 43.6%). The results of the detailed calculations on the electron states of silicon nanowires, comprised of 10,000 to 40,000 atoms, clarified that electron transport characteristics will change depending on the cross-sectional shape of the nanowire.

The award marked the first time that a research group from Japan won the Gordon Bell Prize for Peak-Performance since 2004, when a team led by Professor Akira Kageyama, currently based at Kobe University, won the prize for performing a simulation of a geomagnetic dynamo using the first-generation Earth Simulator installed at the Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC).

The application used in this current research is one of the core applications developed as part of the “Grand Challenges” program (which, in the field of nanotechnology, is led by the Institute for Molecular Science at Japan’s National Institute of Natural Sciences) of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT).

Background

As a part of the High-Performance Computing Infrastructure (HPCI) initiative led by MEXT, both RIKEN and Fujitsu have been working together to develop the K computer and high-speed communications software (MPI library) for use on the K computer, with the aim of beginning shared use by November 2012.

Since the start of the “Development of a Next-Generation Supercomputer” project (now renamed HPCI Initiative”) in 2006, RIKEN, the University of Tsukuba, and the University of Tokyo have been working to develop optimal calculation methods and programs to verify the performance of the K computer using real applications. Researchers of computational science, whose aim is to elucidate natural phenomena using computer simulations, and researchers of computer science, whose aim is to drive technological advances in the application of supercomputers, have been working together to efficiently develop massively parallel code (*3) or RSDFT (*4) based on density functional theory by discretizeing it in real space, which is used to compute the energy states and electron states of matter. In the current research, the K computer was used to compute the electron states of silicon nanowires (Figure 1), ultrafine traces made of silicon atoms that have potential for use as a next-generation semiconductor material that generates rapid switching speeds and low current leakage.

Research Methods and Results

In results computed using approximately two-thirds of the K computer system’s capacity, execution performance of 3.08 petaflops was achieved. The research team succeeded in calculating the electron state of a silicon nanowire measuring 10 nm in diameter and 10 nm in length comprised of 39,696 atoms. These results were presented at the SC11 being held November 12–18 in Seattle, USA. The findings won the ACM Gordon Bell Prize for Peak-Performance in a genuine application program.

The Gordon Bell Prize was established in 1987 by noted American computer scientist Gordon Bell to promote the development of parallel computing technology, and it is administered by the Association for Computing Machinery (*5). Every year, the prize is awarded to the group that has applied parallel computing to practical scientific problems and produced outstanding results.

From among five finalist papers that had passed the first round of selections, the judges for this year’s Gordon Bell Prize selected the paper “First-principles calculations of electron states of a silicon nanowire with 100,000 atoms on the K computer” for the Peak-Performance Prize. The Peak-Performance Prize is given for research that shows high real-world performance in a practical application, and underscores both the practical value of this research and the K computer’s practical effectiveness.

The silicon nanowires that are the subject of this research, which serve as electron channels in next-generation field-effect transistors (*6), comprise 10,000 to 100,000 silicon atoms and measure 10–20 nm in diameter and roughly 10 nm in length. These results represent the world’s first attempt at calculating the electron state, using quantum theory, for a 107,292-atom nanowire measuring 20 nm in diameter and 6 nm in length. Execution performance of 3.08 petaflops was achieved (representing execution efficiency of 43.6%), showing that high-precision simulations are possible at the nanoscale level that will be used in future devices. This work also examined the electron states of nanowires comprising 10,000 to 40,000 atoms, and measuring approximately 10 nm, but in different cross-sectional shapes (round, oblong, and dumbbell-shaped), and found that electron-transport characteristics were highly dependent on the nanoscale shape, showing that computational material sciences using the K computer can contribute greatly to nanoscale design decisions.

Future Expectations

As the real applications running on the K computer received a very high evaluation, the research group was awarded the Gordon Bell Prize for Peak-Performance. This is significant in that it shows the international high performance computing (HPC) community has recognized the K computer’s potential to advance science and technology. While continuing to gain a deeper understanding of silicon nanowires, researchers will also use these research experiences to raise the level of sophistication of other applications so that the K computer can bring results faster to a wider range of scientific fields.

Paper awarded the Gordon Bell Prize for Peak-Performance

“First-principles calculations of electron states of a silicon nanowire with 100,000 atoms on the K computer”

Authors

Yukihiro Hasegawa (RIKEN), Junichi Iwata (University of Tokyo), Miwako Tsuji (University of Tsukuba), Daisuke Takahashi (University of Tsukuba), Atsushi Oshiyama (University of Tokyo), Kazuo Minami (RIKEN), Taisuke Boku (University of Tsukuba), Fumiyoshi Shoji (RIKEN), Atsuya Uno (RIKEN), Motoyoshi Kurokawa (RIKEN), Hikaru Inoue (Fujitsu), Ikuo Miyoshi (Fujitsu), and Mitsuo Yokokawa (RIKEN).

Glossary and Notes

1. ACM Gordon Bell Prize

The ACM Gordon Bell Prize, sponsored by the Association of Computing Machinery, is awarded to promote advancements in parallel computing technology, and is presented every November at the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC, Supercomputing Conference) to the papers that show the most outstanding results in hardware and applications development.

2. Execution performance

In contrast to theoretical performance, this is the computational performance obtained in running a given program, and acts as a practical measure of a computer’s performance.

3. Massively parallel code

An application program that can run efficiently on a massively parallel computer.

4. RSDFT

Real-Space Density Functional Theory. A simulation technique using the density functional theory that is based on first principles of quantum mechanics and then capable of treating complex condensed matters, and exploiting advantages of the real-space scheme. y al RSDFT is a density-functional computer code based on the discretization of the Kohn-Sham equation in real-space. Compared to the previous method by expanding the equation by plane wave functions, the real-space method does not require the Fast Fourier Transformation (FFT) in part of its core calculations, making it advantageously amenable to parallelization.

5. Association for Computing Machinery

A noted academic association for computer science headquartered in New York, founded in 1947.

6. Field-effect transistor

A type of electronic device that has an amplification effect, characterized by low power requirements. The complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) circuits widely used in computers today are combinations of a type of FET called MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). Applying voltage perpendicular to the surface of the semiconductor is used to control electrical transmission through a field effect.

Figure 1: Diagram of a next-generation field effect transistor using a silicon nanowire

Voltage is applied to the gate (yellow) which controls the flow of current (electrons) between the source and drain (blue) via the oxide (grey).

 

Figure 2: Relationship between number of transmitted electron states and energy in silicon nanowires

Varying the cross-sectional shape and side smoothness of silicon nanowires affected the number of transmitted electron states, which carry energy, shown on the horizontal axis.

Press Contacts

RIKEN Advanced Institute for Computational Science
Office for Research Communications
Tel: +81-78-940-5623, 5624

Center for Computational Sciences, University of Tsukuba
Public Relations Office
Tel: +81-29-853-6260 pr [at] ccs.tsukuba.ac.jp

School of Engineering, The University of Tokyo
Public Relations Office
Tel: +81-3-5841-1790

Fujitsu Limited
Public and Investor Relations Division
Inquiries: https://www-s.fujitsu.com/global/news/contacts/inquiries/index.html

About RIKEN

RIKEN is Japan’s flagship research institute devoted to basic and applied research. Over 2500 papers by RIKEN researchers are published every year in reputable scientific and technical journals, covering topics ranging across a broad spectrum of disciplines including physics, chemistry, biology, medical science and engineering. RIKEN’s advanced research environment and strong emphasis on interdisciplinary collaboration has earned itself an unparalleled reputation for scientific excellence in Japan and around the world. For more information, please see: http://www.riken.jp/

About University of Tsukuba

The University of Tsukuba aims to establish free exchange and close relationship in both basic and applied sciences with educational and research organizations and academic communities in Japan and overseas. The university makes a contribution to the world through its educational system that seeks to make the most of students’ creativity and individuality.
http://www.tsukuba.ac.jp/english/

https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/eng/

About The University of Tokyo

The University of Tokyo, also known as “Todai” was established in 1877 as the first national university in Japan. As a leading research university, Todai offers courses in essentially all academic disciplines at both undergraduate and graduate levels and conducts research across the full spectrum of academic activity. The university aims to provide its students with a rich and varied academic environment that ensures opportunities for both intellectual development and the acquisition of professional knowledge and skills.

About Fujitsu

Fujitsu is a leading provider of information and communication technology (ICT)-based business solutions for the global marketplace. With approximately 170,000 employees supporting customers in over 100 countries, Fujitsu combines a worldwide corps of systems and services experts with highly reliable computing and communications products and advanced microelectronics to deliver added value to customers. Headquartered in Tokyo, Fujitsu Limited (TSE:6702) reported consolidated revenues of 4.5 trillion yen (US$55 billion) for the fiscal year ended March 31, 2011. For more information, please see: www.fujitsu.com

All other company or product names mentioned herein are trademarks or registered trademarks of their respective owners. Information provided in this press release is accurate at time of publication and is subject to change without advance notice.
 

 

京速コンピュータ「京」による成果がゴードン・ベル賞を受賞

プレスリリース

京速コンピュータ「京」による成果がゴードン・ベル賞を受賞
-実アプリケーションで実効性能3ペタフロップスを達成

平成23年11月18日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人筑波大学
国立大学法人東京大学
富士通株式会社

印刷用PDF[597KB]

概要

独立行政法人理化学研究所(理事長野依良治、以下「理研」)、国立大学法人筑波大学(学長山田信博、以下「筑波大」)、国立大学法人東京大学(総長濱田純一、以下「東大」)、および富士通株式会社(代表取締役社長山本正已、以下「富士通」)による研究グループは、理研と富士通が共同開発中の京速コンピュータ「京」を用いた研究成果を、ハイ・パフォーマンス・コンピューティング(高性能計算技術)に関する国際会議SC11(米国・シアトル開催)で発表し、17日(米国太平洋標準時間/日本時間18日)、ゴードン・ベル賞*1の最高性能賞を受賞しました。

受賞の対象となった成果は、次世代半導体の基幹材料として注目されているシリコン・ナノワイヤ材料の電子状態を計算したものです。現実の材料のサイズに近い10万原子規模(直径20ナノメートル、長さ6ナノメートル)のナノワイヤの電子状態について、計算性能を確認するための量子力学的計算を行い、実効性能*23.08ペタフロップス(実行効率約43.6%)を達成しました。また、10,000個から40,000個の原子規模からなるシリコン・ナノワイヤについて電子状態を詳細に計算した結果、断面の形状によって電子輸送特性が変化することも明らかにしました。

日本のグループによるゴードン・ベル賞の最高性能賞受賞は、2004年に独立行政法人海洋研究開発機構が保有する地球シミュレータ(初代)を用い、地磁気ダイナモシミュレーションを行った神戸大学の陰山聡教授(当時独立行政法人海洋研究開発機構)らのグループが獲得して以来のことです。

本研究で用いたアプリケーションは、文部科学省「グランドチャレンジプログラム(ナノ分野、代表:分子科学研究所)」で開発されている中核アプリケーションの1つです。

1.背景

理研と富士通は共同で、文部科学省が推進する「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」計画のもと、2012年11月の共用開始を目指し、京速コンピュータ「京」とそれを利用するための高速な通信用ソフトウエア(MPIライブラリ)の開発を行ってきました。

また、理研、筑波大および東大は、「最先端・高性能汎用スーパーコンピュータの開発利用」プロジェクト(現「HPCIの構築」)の開始当初の2006年度から、実アプリケーションによる「京」の性能確認を行うための最適な計算手法とプログラム開発を進めてきました。これまでに、物質のエネルギー状態や電子状態などを求めることができる実空間密度汎関数法(RSDFT)3の高並列コード*4を、計算機シミュレーションにより現象の解明を目指す計算科学分野と計算機利用技術の高度化などを目指す計算機科学分野の研究者が協力することによって効率的に開発しています。今回、スイッチング速度が高く、リーク電流が少ないとされる次世代半導体の材料で、シリコン原子からなる微小な線材「シリコン・ナノワイヤ(図1)」の電子状態について、実際に「京」を用いて計算を行いました。

図1 シリコン・ナノワイヤ材を用いた電界効果トランジスタのイメージ

図1 シリコン・ナノワイヤ材を用いた電界効果トランジスタのイメージ
ゲート部分(黄色)に電圧を加え、酸化物(灰色)を介して、ソースとドレインの間(青)に流れる電流(電子)を制御する。

2.研究手法と結果

「京」全体の約3分の2のシステムを用いて計算した結果、実効性能3.08ペタフロップスを得ることができました。また、39,696原子のシリコンからなる直径10ナノメートル、長さ10ナノメートルのシリコン・ナノワイヤの電子状態の計算に成功し、この結果を、米国ワシントン州シアトルで11月12日~18日に開催されている「ハイ・パフォーマンス・コンピューティング(高性能計算技術)に関する国際会議SC11(フォームの終わりInternational Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis)」で発表し、ゴードン・ベル賞が対象とするいくつかの部門のうち、実効性能部門で最高性能賞を受賞しました。

ゴードン・ベル賞は、計算機設計者として著名な米国のゴードン・ベル氏が、並列計算機技術開発の推進のために1987年に創設した賞で、米国計算機学会(ACM)*5によって運営されています。毎年、並列計算機を実用的な科学技術計算に応用し、科学的成果を含め優れた成果を出したグループに与えられます。

今年のゴードン・ベル賞の審査では、5件の論文が第1次選考を通過し(ファイナリスト)、その中から研究グループが発表した「『京』による100,000原子シリコン・ナノワイヤの電子状態の第一原理計算」が、実効性能部門の最高性能賞に選出されました。最高性能賞は、実用に供するアプリケーションの性能において真に世界最高性能を実現した研究に対して与えられるもので、今回の研究の実用的価値と「京」の実運用での性能が高く評価された結果といえます。

計算対象としたシリコン・ナノワイヤは、電界効果トランジスタ6の電子の通り道(チャネル)の材料となるもので、約10,000~100,000のシリコン原子から構成され直径が約10~20ナノメートル、長さは約10ナノメートルです。今回の成果は、107,292個のシリコン原子からなるナノワイヤ(直径20ナノメートル、長さ6ナノメートル)に対する、量子論に基づく電子状態計算を世界で初めて行ったものであり、実効性能3.08ペタフロップス(実行効率約43.6%)を達成しました。これにより、次世代デバイスのサイズであるナノレベルの高精度シミュレーションが可能となることを示しました。また、約10,000個から40,000個のシリコン原子からなる、円、楕円、ダンベルなどさまざまな断面形状を持つ長さ約10ナノメートルのナノワイヤの電子状態を解明し、電子輸送の特性がナノスケールの形状に大きく依存することを初めて明らかにしました。「京」が行う先端的物質科学計算が、ナノデバイスの設計指針に大きく貢献することを示しています。

図2 シリコン・ナノワイヤの伝導電子の状態数とエネルギーの関係

図2 シリコン・ナノワイヤの伝導電子の状態数とエネルギーの関係
シリコン・ナノワイヤの断面形状や側面の滑らかさを変えた時の、横軸の各エネルギーを持つ伝導電子の状態数。

3.今後の期待

京速コンピュータ「京」による実アプリケーションが評価され、ゴードン・ベル賞の実効性能部門最高性能賞を受賞することができました。このことは、今後の科学技術の発展に「京」が大きく寄与することを、国際的な学会が認めたことを意味します。引き続き、シリコン・ナノワイヤの性質を明らかにしていくとともに、今回の成果を他のアプリケーションの高度化にも活かし、「京」がもたらす多様な分野の科学的成果の早期創出に向けて、貢献していきます。

実効性能部門【最高性能賞】の受賞論文

受賞論文
First-principles calculations of electron states of a silicon nanowire with 100,000 atoms on the K computer
和文:「京」による100,000原子シリコン・ナノワイヤの電子状態の第一原理計算

著者
長谷川幸弘(理化学研究所)、岩田潤一(東京大学)、辻美和子(筑波大学)、高橋大介(筑波大学)、押山 淳(東京大学)、南 一生(理化学研究所)、朴 泰祐(筑波大学)、庄司文由(理化学研究所)、宇野篤也(理化学研究所)、黒川原佳(理化学研究所)、井上 晃(富士通株式会社)、三吉郁夫(富士通株式会社)、横川三津夫(理化学研究所)

用語解説

*1 ゴードン・ベル賞
ゴードン・ベル賞(ACM Gordon Bell Prize)は、並列計算技術の向上を目的に米国計算機学会(ACM) によって運営され、毎年11月に開催されるハイ・パフォーマンス・コンピューティング(高性能計算技術)に関する 国際会議SC11(International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis)で,ハードウエアとアプリケーションの開発において最も優れた成果を上げた論文に付与される賞。

*2 実効性能
理論性能であるピーク性能に対して、あるプログラムを実行した時の計算性能が実効性能であり、これが計算機の実質的な性能とされる。

*3 実空間密度汎関数法(RSDFT)
多体電子系の物理量を空間的に変化する電子密度の汎関数として表現する密度汎関数法に基づく量子力学的第一原理計算を用いて、物性研究を進展させるために開発された実空間法によるシミュレーション手法。RSDFTは、実空間法による密度汎関数計算コードである。 実空間法は、従来の平面波展開法に比べ演算の核となる部分で高速フーリエ変換が必要ないため、並列化の点で有利な手法となっている。

*4 高並列化コード
並列数の高い計算機で効率よく実行できるアプリケーションプログラム。

*5 米国計算機学会(ACM)
米国・ニューヨークに本部を置くコンピュータ科学の著名な学会の1つ。1947年設立。

*6 電界効果トランジスタ
増幅作用を示す電子素子の1種で、消費電力が少ないのが特徴。現在多くのコンピュータなどで使われている相補性金属酸化膜半導体(CMOS)回路は、FETの1種であるMOS(金属酸化膜半導体)FETを組み合わせたもの。半導体表面に垂直に加えた電圧によって界面の電気伝導を制御する。

問い合わせ先

独立行政法人理化学研究所 計算科学研究機構 広報国際室
担当:岡田昭彦
TEL:078-940-5625 FAX:078-304-4964 E-mail: aics-koho [at] riken.jp

報道担当:
独立行政法人理化学研究所 広報室 報道担当
TEL:048-467-9272 FAX:048-462-4715
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京速コンピュータ「京」がHPCチャレンジ賞 4部門すべてで第1位を獲得

プレスリリース

京速コンピュータ「京」がHPCチャレンジ賞 4部門すべてで第1位を獲得

-LINPACKに続き、スパコンの総合的な性能を評価するベンチマークでも高性能を実証

平成23年11月16日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人筑波大学
富士通株式会社

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概要

独立行政法人理化学研究所(理事長 野依良治、以下「理研」)、国立大学法人筑波大学(山田信博学長、以下「筑波大」)、および富士通株式会社(代表取締役社長 山本正已、以下「富士通」)は、理研と富士通が共同で開発中の京速コンピュータ「京(けい)」*1で測定した、スパコンの総合的な性能を評価するHPCチャレンジベンチマークの実測結果により、2011年「HPCチャレンジ賞*2」の4部門すべてで第1位を獲得しました。15日(米国太平洋標準時間:日本時間16日)、米国・シアトルで開催中のHPC(ハイパフォーマンス・コンピューティング:高性能計算技術)に関する国際会議「SC11」で発表されました。HPCチャレンジ賞で第1位を獲得したのは、(1) 大規模な連立1次方程式の求解における演算速度、(2) 並列プロセス間でのランダムメモリアクセス性能、(3)多重負荷時のメモリアクセス速度、(4) 高速フーリエ変換の総合性能 の4部門すべてです。京は、LINPACKの演算速度のランキングであるTOP500リストでも6月と11月に連続して第1位を獲得していることに加え、汎用スパコンとしての総合的な性能においても高い評価を得たことになります。

詳細

理研と富士通は共同で、文部科学省が推進する「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」計画のもと、2012年11月の供用開始を目指し京速コンピュータ「京(けい)」の開発を進めています。

HPCチャレンジベンチマークは、科学技術計算で多用される計算パターンから抽出した28項目の処理性能によって、スパコンの総合的な性能を評価するベンチマークプログラムです。この中でも特に重要な (1)Global HPL(大規模な連立1次方程式の求解における演算速度) (2)Global RandomAccess(並列プロセス間でのランダムメモリアクセス性能) (3)EP STREAM(Triad) per system(多重負荷時のメモリアクセス速度) (4)Global FFT(高速フーリエ変換の総合性能)の4つについては、HPCチャレンジ賞(クラス1)として各部門の第1位が表彰されます。

筑波大は4つのプログラムのうちGlobal FFTの高速化に大きく貢献しました。その上でこれら4つのベンチマークプログラムの性能をHPCチャレンジ賞(クラス1)に登録しました。

2011年HPCチャレンジ賞(クラス1)4部門の上位3位は以下の通りです。

Global HPL 性能値(TFLOP/s) システム名 設置機関
1位 2.118 理研 計算科学研究機構
2位 1.533 Cray XT5 オークリッジ研
3位 736 Cray XT5 テネシー大学
Global RandomAccess 性能値(GUPS) システム名 設置機関
1位 121 理研 計算科学研究機構
2位 117 IBM BG/P ローレンスリバモア研
3位 103 IBM BG/P アルゴンヌ研
EP STREAM(Triad) per system 性能値(TB/s) システム名 設置機関
1位 812 理研 計算科学研究機構
2位 398 Cray XT5 オークリッジ研
3位 267 IBM BG/P ローレンスリバモア研
Global FFT 性能値(TFLOP/s) システム名 設置機関
1位 34.7 理研 計算科学研究機構
2位 11.9 NEC SX-9 海洋研究開発機構
3位 10.7 Cray XT5 オークリッジ研

HPCチャレンジ賞(クラス1)では、4つの異なった視点からスパコンの特性を多角的に評価しますが、そのすべてにおいて京はトップ性能を発揮しています。

京は、開発当初から、広く内外の研究者、技術者の利用に供することを念頭に、高い演算性能と幅広い範囲のアプリケーションに対応できる汎用性を兼ね備えたスパコンを目指して開発を進めてきましたが、今回の結果はそれを実証するものであり、京の汎用スパコンとしての総合的な能力の高さを示すものです。

関連リンク

TOP500リスト
HPCチャレンジ
第38回TOP500リスト(2011年11月)の結果について
理化学研究所次世代スーパーコンピュータの開発・整備
計算科学研究機構
富士通「次世代スーパーコンピュータ」紹介サイト

用語解説

*1 京速コンピュータ「京(けい)」
文部科学省が推進する「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」プログラムのもと、理研と富士通が共同で開発しているスーパーコンピュータで、2012年の共用開始を目指している。「京(けい)」は理研が決定したスーパーコンピュータの愛称(2010年7月に決定)で、10ペタ(10の16乗)を表す万進法の単位であるとともに、もともとは大きな門を表し、「計算科学の新たな門」という期待も込められている。

*2 HPCチャレンジ賞
HPCチャレンジ賞にはベンチマークの性能値を競うクラス1と、実装における生産性の高さを競うクラス2がある。クラス1は以下の4つの部門で構成され、それぞれシステムを構成する主要な要素(CPUの演算性能、メモリへのアクセス性能、ネットワークの通信性能)の性能が評価される。
・Global HPL:大規模な連立1次方程式の求解における演算速度
・Global RandomAccess:並列プロセス間でのランダムメモリアクセス性能
・EP STREAM(Triad) per system:多重負荷時のメモリアクセス速度
・Global FFT:高速フーリエ変換(FFT)の総合性能

問い合わせ先

独立行政法人理化学研究所 計算科学研究機構 広報国際室
担当:岡田昭彦
TEL:078-940-5625 FAX:078-304-4964 E-mail: aics-koho [at] riken.jp

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HA-PACSプロジェクトの特設ページを公開しました。

密結合並列演算加速機構実証システム「HA-PACS」(Highly Accelerated Parallel Advanced system for Computational Sciences)プロジェクトの特設ページを公開しました。

HA-PACSは、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PACS/PAXシリーズの最新システムです。これからの計算科学に必要とされるエクサフロップス(毎秒100京回演算)の実現に向けて、演算加速装置を中心とする超並列計算機におけるアプリ ケーションおよび多数の演算加速装置を効率的に結合する並列システムの研究開発のため、ハード・ソフト双方の要素技術の確立と、計算科学の重要アプリケーションの革新に取り組みます。

本システムは、2012年1月にベースクラスタ部の導入を行い、続いてTCA部の拡張を経て2012年度中に完成の予定です。

HA-PACSプロジェクト 特設ページ

Shutdown of PACS-CS

We have done a shutdown of PACS-CS on September 30, 2011. PACS-CS started operation on July, 2006. It contributed greatly to the researches of Center for Computational Sciences for about 5 years.

The next generation of PACS series, “HA-PACS”, will start operation on 2012.

スーパーコンピュータ「PACS-CS」をシャットダウンしました

高性能超並列クラスタ「PACS-CS」を2011年9月30日17:00にシャットダウンしました。稼働開始は2006年7月。およそ5年間、筑波大学計算科学研究センターの研究推進に大きく貢献しました。

PACS-CSプロジェクトについてはこちらをご覧ください。

PACSシリーズの次世代機、密結合並列演算加速機構実証システム「HA-PACS」は、2012年に稼働開始予定です。