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報告書

原子力機構の新大型計算機システムにおける基本性能の評価

坂本 健作; 清水 大志; 鶴岡 卓哉*; 根本 俊行*; 石川 直太*

JAEA-Testing 2011-005, 88 Pages, 2011/11

JAEA-Testing-2011-005.pdf:5.16MB

日本原子力研究開発機構では、計算科学を活用した原子力の研究開発を加速するため、平成22年3月に旧システム(総理論演算性能15.3Tflops)を刷新し、国内最大規模となる総理論演算性能200Tflopsの大規模Linuxクラスタシステム(PRIMERGY BX900)と、総理論演算性能12Tflopsの次世代計算機プロトタイプ機(FX1)等からなるスーパーコンピュータシステム一式を導入、これらの運用を開始した。BX900は旺盛な計算需要に応えること、FX1は次世代スーパーコンピュータ(京コンピュータ)の利用に向けた原子力アプリケーションのチューニング環境を提供することを目的としている。本稿では、このスーパーコンピュータシステムの基本性能の評価結果について報告する。

論文

日本原子力研究開発機構の新スーパーコンピュータシステム

清水 大志; 坂本 健作; 吉岡 祐二*

FAPIG, (182), p.26 - 29, 2011/02

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」)では、計算科学を活用した原子力の研究開発を加速するため、平成22年3月に旧システム(総理論演算性能15.3TFlops)を刷新し、当時国内最大規模となる総理論演算性能200TFLOPSの大規模Linuxクラスタシステム(PRIMERGY BX900)と、総理論演算性能12TFlopsの次世代計算機プロトタイプ機(FX1)等からなるスーパーコンピュータシステム一式を導入、これらの運用を開始した。BX900は旺盛な計算需要に応えること、FX1は次世代スーパーコンピュータ(京コンピュータ)の利用に向けた原子力アプリケーションのチューニング環境を提供することを目的としている。本稿では、原子力機構が新たに導入した新スーパーコンピュータシステムの特徴や機能について紹介する。

論文

Huge upper critical field in the superconductor with non-centrosymmetric crystal structure CeCoGe$$_3$$

M$'e$asson, M.-A.*; 村中 大志*; 松田 達磨; 河井 友也*; 芳賀 芳範; Knebel, G.*; 青木 大*; Lapertot, G.*; 本多 史憲*; 摂待 力生*; et al.

Physica C, 470(Suppl.1), p.S536 - S538, 2010/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:79.54(Physics, Applied)

We report the upper critical field, $$H_{c2}$$, of the non-centrosymmetric compound CeCoGe$$_3$$ by resistivity measurements under high pressure of 7.1 GPa, for $$H$$ along $$c$$ and $$a$$ axis, and for a magnetic field up to 17T. $$H_{c2}$$ is very anisotropic, saturating at low temperature for $$H$$ along the $$a$$ axis and linear for $$H$$ along the $$c$$ axis. Very high $$H_{c2}$$($$T$$) is observed for $$H$$ along the $$c$$ axis, with a huge value of the slope d$$H$$$$_{c2}$$/d$$T$$ =-47 $$pm$$ 1.3 T/K, the highest ever reported if normalized to the superconducting temperature of 0.65 K. This is most probably related to a conjunction of a heavy fermionic state and the absence of the Pauli limitation. A fit of $$H_{c2}$$($$T$$) shows that the curves for a and $$c$$ axis can be reproduced with a moderate coupling Eliashberg theory.

論文

Theory of shear banding in metallic glasses and molecular dynamics calculations

清水 大志; 尾方 成信*; Li, J.*

Materials Transactions, 48(11), p.2923 - 2927, 2007/11

 被引用回数:431 パーセンタイル:0.04(Materials Science, Multidisciplinary)

ほとんどの金属ガラス(BMG)において、約2%の単軸歪$$epsilon_{rm y}$$によりせん断帯が形成される。本論文では、この現象の臨界条件が萌芽的せん断帯(ESB)の進展により、生成にはよらないという理論を提案する。ESBが進展するためには、遠方にて加えられたせん断応力$$tau_inftyapprox Eepsilon_{rm y}/2$$が、疎外化された糊領域の温度が摩擦加熱によってガラス転移温度$$T_{rm g}$$に達するまでの間、準定常摩擦$$tau_{rm glue}$$を越えていなければならない。$$tau_{rm glue}$$の大きさは、原子振動と同程度のタイムスケールを持つ極めて高速な散逸プロセスに支配されることから、分子動力学(MD)シミュレーションによって追跡することが可能である。そこでわれわれは4種類のモデル、すなわち2元素のレナードジョーンズ(LJ)モデル系及び埋め込み原子法(EAM)ポテンシャル、5元素のEAMポテンシャルについてのMDシミュレーションを実施した。その結果、原子配置構造及び原子間相互作用が大きく異なるにもかかわらず、$$tau_{rm glue}$$からは$$epsilon_{rm y}$$の予測として2.1$$sim$$2.9%の範囲の値が得られた。さらに、LJモデル系についての大規模MDシミュレーションはESBがせん断変形領域(STZ)が合体したものであるということを明らかにした。すなわち、$$tau_{rm glue} < tau_infty < tau_{rm r}$$の条件下では、温度が$$T_{rm g}$$に向かって上昇し、ESBが発展するのに対し、$$tau_infty < tau_{rm glue}$$の条件下ではESBは進展せず、最終的には消散する。

論文

First-principles calculation on screw dislocation core properties in BCC molybdenum

清水 大志; 尾方 成信*; 君塚 肇*; 叶野 琢磨; Li, J.*; 蕪木 英雄

Journal of the Earth Simulator, 7, p.17 - 21, 2007/06

Predicting atomistic properties of a dislocation is a first step toward an understanding of plastic behavior of materials, in particular BCC metals. The core structure and Peierls stress of a screw dislocation in BCC metals have been studied over the years using the first-principles and empirical methods, however, their conclusions vary due to the inefficiency of the methods. We have executed first-principles calculations based on the density functional method, employing the most accurate 1$$times$$1$$times$$20 k-point samplings, to determine the core structure and Peierls stress of the $$a_0$$/2[111] screw dislocation of molybdenum. We have concluded that the core has a 6-fold structure, and determined the Peierls stress of 1.8 GPa for the simple shear strain along the (($bar{1}$)10) $$<$$111$$>$$ direction.

論文

Molecular dynamics study on the formation of stacking fault tetrahedra and unfaulting of Frank loops in FCC metals

門吉 朋子; 蕪木 英雄; 清水 大志; 君塚 肇*; 實川 資朗; Li, J.*

Acta Materialia, 55(9), p.3073 - 3080, 2007/05

 被引用回数:35 パーセンタイル:12.72(Materials Science, Multidisciplinary)

分子動力学法により、FCC金属中の積層欠陥正四面体が、不等辺六角形転位ループから形成されることを確かめた。また、格子間原子型のフランクループ及び原子空孔型のフランクループが、外部せん断応力や温度によって完全転位ループに遷移する過程を詳細に解析し、完全転位化に温度が重要な役割を果たしていることを明らかにした。

報告書

平成17年度シミュレーション工学研究実績評価報告

大谷 孝之; 佐々 成正; 清水 大志; 鈴木 喜雄

JAEA-Review 2007-009, 36 Pages, 2007/03

JAEA-Review-2007-009.pdf:2.74MB

システム計算科学センターにおいては、「独立行政法人日本原子力研究開発機構の中期目標を達成するための計画(中期計画)」に基づき、シミュレーション工学研究に関する研究開発を実施している。この研究開発の効率的・効果的推進に資することを目的として、機構外の有識者・専門家による研究評価及び示唆を受けるため、機構の原子力コード研究委員会の下に原子力計算科学研究評価専門部会が設置された。本報告は、平成17年度にシステム計算科学センターにおいて実施されたシミュレーション工学研究の実績を原子力計算科学研究評価専門部会が評価した結果をとりまとめたものである。

論文

Yield point of metallic glass

清水 大志; 尾方 成信*; Li, J.*

Acta Materialia, 54(16), p.4293 - 4298, 2006/09

 被引用回数:160 パーセンタイル:0.85(Materials Science, Multidisciplinary)

ほとんどの金属ガラス(BMG)においては、約2%の単軸歪$$epsilon_{rm y}$$によりせん断帯が形成される。本論文では、この現象の臨界条件が萌芽的せん断帯(ESB)の進展に依存し、生成にはよらないという理論を提案する。ESBが進展するためには、各原子が疎外化された糊状領域が摩擦加熱によってガラス転移温度$$T_{rm g}$$に達するまで、遠方のせん断応力$$tau_inftyapprox Eepsilon_{rm y}/2$$が準定常状態の摩擦力$$tau_{rm glue}$$を越えていなければならない。その時点で、ESBはせん断き裂的なものにまで成熟する。この成熟に必要な長さのスケール$$l_{rm inc}$$はZrベースのBMGについて$$sim$$10$$^{2}$$nmと見積もることができるが、これ以下のサイズではせん断変形の局所化は起こらない。疎外化領域におけるせん断変形局所化への抵抗は極めて高速な(すなわち原子振動と同程度のタイムスケールを持つような)散逸プロセスによることから、分子動力学(MD)シミュレーションによって追跡することが可能である。われわれは2元素のレナードジョーンズモデル系や埋め込み原子法(EAM)ポテンシャル,5元素のEAMポテンシャルによるMDシミュレーションを実施し、$$epsilon_{rm y}$$の予測として2.1$$sim$$2.9%という範囲の値を得た。

論文

Atomistic simulation of shear localization in Cu-Zr bulk metallic glass

尾方 成信*; 清水 大志; Li, J.*; 譯田 真人*; 渋谷 陽二*

Intermetallics, 14(8-9), p.1033 - 1037, 2006/08

 被引用回数:94 パーセンタイル:2.6(Chemistry, Physical)

Cu$$_{57}$$Zr$$_{43}$$金属ガラス(Bulk Metallic Glass: BMG)のモデルシステムを用い、せん断変形の分子動力学シミュレーションを実施した。計算の結果、静水圧的及びせん断平面に垂直方向の応力の両方がせん断応答に影響を及ぼすことが確認された。せん断の局所化及びせん断帯の生成の現象は、小規模システム(原子数2,000)及び大規模システム(同524,288)の両方に見られた。

論文

ITBLを用いた並列分子動力学シミュレーション

清水 大志; 門吉 朋子; 蕪木 英雄; 山岸 信寛*; 長谷川 幸弘*; 樋口 健二

計算工学講演会論文集, 8(2), p.801 - 804, 2003/05

長時間計算が必要となるシミュレーションを分割する際の一連のリスタート処理について、ネットワーク上に分散した計算機群から利用可能な計算機を自動的に割り当てて実行する分散並列MDシミュレーション環境を構築した。約40万原子のシミュレーションでは、並列分子動力学ステンシルによるシミュレーションプログラムの可搬性とITBLの並列分散プログラム実行環境を組み合わせることにより、効率の良いシミュレーション計算の実行に非常に有効であることが確認された。

論文

並列分子動力学ステンシルの紹介, 3; 基本プログラミング編

清水 大志; 蕪木 英雄

アンサンブル, (22), p.23 - 29, 2003/04

並列計算法開発グループでは、並列計算における基盤ソフトとして並列分子動力学シミュレーションツール「並列分子動力学ステンシル」(Parallel Molecular Dynamics Stencil)を開発した。「ステンシル」は材料物性研究等で広く使用される分子動力学法における並列プログラミングを効率的に進めるため、シミュレーションの対象となる系を記述するプログラムと並列化のためのプログラムを切り分けた後、再構成を行なったものである。本稿では「ステンシル」を用いたプログラミングの方法について具体例を挙げて説明する。

論文

Grid computing supporting system on ITBL project

樋口 健二; 今村 俊幸*; 鈴木 喜雄; 清水 大志; 町田 昌彦; 大谷 孝之; 長谷川 幸弘*; 山岸 信寛*; 木村 和幸*; 青柳 哲雄; et al.

Lecture Notes in Computer Science 2858, p.245 - 257, 2003/00

日本国内の研究機関共同によるグリッド・プロジェクトのためのミドルウェアのプロトタイプが開発された。このミドルウェアには、仮想研究室の構築に不可欠のいくつかのキーテクノロジが実装され、実際に運用されている計算機・ネットワーク・システム上でその技術検証がなされた。また、いくつかの科学技術計算の応用プログラムが当該ミドルウェア上で既に稼働している。これら一連の結果は、日本のサイエンス・グリッドの分野にとって大きな進歩である。

論文

並列分子動力学ステンシルの開発

清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄; 荒川 忠一*

計算工学講演会論文集, 7(1), p.163 - 166, 2002/05

分子動力学法は現実の物質系をミクロなレベルからシミュレーションする手法であり、ニュートンの運動方程式を直接決定論的に数値積分することにより、系の静的な特性とともに動的な特性を求めることができる。分子動力学法シミュレーションにおいて最も計算時間を要する部分は一般的に原子間の相互作用の計算であり、大規模なシミュレーションを行なうには相互作用のカットオフにより計算コストを減らす高速化手法を用いることが必要である。また、今日では計算の高速化や大容量のメモリを確保するのに並列計算が有効である。われわれは、並列化やカットオフによる高速化などのシミュレーション手法を記述するプログラムの機能単位を切り分け、これらを再構成することにより並列分子動力学ステンシルを開発した。並列分子動力学ステンシルを利用すると、並列化手法及びカットオフによる高速化手法について意識することなくプログラミングを行なうことが可能である。本論文では、並列分子動力学ステンシルの設計及び性能について報告する。

論文

並列数値計算ライブラリ「PARCEL」; 連立一次方程式の反復解法

山田 進; 清水 大志; 加治 芳行; 蕪木 英雄

計算工学講演会論文集, 7(1), p.167 - 170, 2002/05

日本原子力研究所計算科学技術推進センターでは、科学技術計算に比較的多く現れる連立一次方程式の反復解法等の基本的な数値計算についてメッセージパッシングを用いた並列計算ルーチンを開発している。この並列計算ルーチン群は、並列数値計算ライブラリPARCEL (PARallel Computing ELement)として公開しており、数多くの国内外の大学等の研究機関で利用されている。本研究では、ベクトル並列計算機上でPARCELの連立一次方程式の反復解法を用いてCompact Tension試験片と呼ばれる物体の応力解析計算を行った際の計算時間から本ルーチンの並列性能を評価した。その結果、本ルーチンが優れた並列性能及びベクトル性能を持つことを確認した。また、本ルーチンを用いて亀裂のある多結晶体の応力解析を行い、結晶粒の形と亀裂の位置による応力の変化についても調査した。

論文

並列分子動力学ステンシルの開発

清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄; 荒川 忠一*

日本計算工学会論文集, 4, p.225 - 230, 2002/04

分子動力学法(MD)シミュレーションにおいて最も計算時間を要する部分は一般的に原子間の相互作用の計算である。各原子に作用する力を単純なアルゴリズムで計算するとペアを検索するコストが対象とする系の原子数の2乗に比例することから、短距離力の系について大規模なシミュレーションを行なう際は、粒子間に作用する力にカットオフを設定して計算コストを減らすカットオフ手法を用いることが必須となっている。また、計算の高速化や大容量のメモリを確保するのに並列計算が有効である。われわれは並列化などのシミュレーション手法の記述と系の性質の記述が分離した、見通しの良いプログラムを作成する枠組みとして並列分子動力学ステンシルを開発した。並列分子動力学ステンシルは、原子間相互作用を計算するプログラムを対象となる系の性質(モデル)の記述のみとなることを実現している。

論文

ベクトル計算機における固体MD計算の高速化

板倉 憲一; 横川 三津夫; 清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄

情報処理学会研究報告2001-HPC-88, p.67 - 72, 2001/10

地球シミュレータは、640の計算ノードを持ち理論ピーク性能は40Tflop/sである。プロセッサノードはピーク性能8Gflop/sのベクトルプロセッサ8個,16GBの共有メモリから構成される。本研究では地球シミュレータの計算ノードによる固体分子動力学法の計算プログラムのベクトル化と並列化を行い性能評価を行った。分子動力学法では、カットオフ半径内の粒子が互いに影響を与え、その粒子ペアを行列を用いて表現することができる。ベクトル化に際して、この行列表現にcompressed row formとjagged diagonalformを考える。jagged diagonal formはベクトル長がcompressedrow formよりも長くできるので、ベクトル化により適している。しかし、標準的な粒子対の情報からjagged diagonal formに変換するには時間がかかるため、全体の性能はより簡単なcompressedrow fromよりも低下した。compressed row formでは8CPUでの並列化により2.4から2.7倍のスピードアップとなった。

論文

格子ボルツマン法による数値シミュレーション

蕪木 英雄; 清水 大志; 鈴木 惣一朗*

パソコンで見る流れの科学; 数値流体力学入門, p.258 - 285, 2001/07

格子ボルツマン法による流れの数値シミュレーション手法について歴史的背景,考え方の基礎をやさしく解説した。数値シミュレーションの例として板の後流について、読者が自由にレイノルズ数を設定しカルマン渦列の観察を行えるようプログラミングを行った。またパソコン上のInternet Explorerで可視化できるよう、プログラミングはJavaで行った。これにより2次元で最大レイノルズ数230程度までのカルマン渦列の時間発展を計算しながら観察可能である。

論文

並列数値計算ライブラリ「PARCEL」; 構造解析計算による性能評価

山田 進; 清水 大志; 今井 隆太*; 君塚 肇*; 加治 芳行; 蕪木 英雄

計算工学講演会論文集, 6(1), p.233 - 236, 2001/05

日本原子力研究所では科学技術計算に比較的多くあらわれる基本的な数値計算である連立一次方程式の反復法,固有値問題,フーリエ変換,擬似乱数生成の各ルーチンについて、メッセージパッシングを用いた並列計算ルーチンを開発している。この並列計算ルーチン群は並列数値計算ライブラリPARCEL(Parallel Computing Elements)として公開されており、実際に数多くの国内外の大学等の研究機関で利用されている。本研究では、PARCELの連立一次方程式の反復解法を用いてベクトル並列計算機上で構造解析を行い、その結果からデータの格納法や前処理等についての並列性能を評価した。

論文

Performance analysis of parallel mathematical subroutine library PARCEL

山田 進; 清水 大志; 小林 謙一*; 蕪木 英雄; 岸田 則生*

Proceedings of 4th International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 2000) (CD-ROM), 9 Pages, 2000/09

実際の科学技術計算において計算時間の大部分を占めているのは連立一次方程式の求解、行列の固有値の計算、などの数値計算である。日本原子力研究所は科学技術計算に比較的多く現れる基本的な数値計算をとりあげ、メッセージパッシングを用いた並列計算ルーチンを開発し、並列数値計算ライブラリ「PARCEL」として整備している。このライブラリは係数行列が疎行列であるような連立一次方程式の反復解法、エルミート行列の固有値の計算、擬似一様乱数の生成及び高速フーリエ変換から構成されている。本研究では、PARCELの特徴、性能について連立一次方程式の反復解法を中心に説明する。また、定評のあるほかのライブラリとの性能の比較を行い、同等の性能があることを数値実験から示す。

論文

Parrallel molecular dynamics simulation on elastic properties of solid argon

清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄; Li, J.*; Yip, S.*

Proceedings of 4th International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 2000) (CD-ROM), 10 Pages, 2000/09

並列分子動力学(MD)について、さまざまな並列化手法やカットオフを用いた計算の効率化手法を組み合わせたシミュレーションをプログラムするのは簡単ではない。われわれは大規模な並列MDシミュレーションのためのプログラムの基本パターンである「並列分子動力学ステンシル」を開発した。本ステンシルは並列化手法や効率化手法を分離し、プログラム作成者がシミュレーション自体に専念できるように設計されている。プログラムの全体はC言語とMPIを用いるが、各MPI関数の呼び出しはプログラム作成者から隠蔽されている。本論文では並列MDステンシルを用い15~75Kの固体アルゴン(結晶状態及びアモルファス状態)に関して500~1,000,000原子を用いたシミュレーションを行い、その弾性について研究した。

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