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論文

富岳およびSummitにおける核融合プラズマ流体解析の高速化

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

第34回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 6 Pages, 2020/12

ジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dにおける半陰解法差分計算用に新しいFP16(半精度)前処理付き省通信クリロフソルバを開発した。このソルバでは、大域的集団通信のボトルネックを省通信クリロフ部分空間法によって解決し、さらに収束特性を向上するFP16前処理によって袖通信を削減した。FP16前処理は演算子の物理特性に基づいて設計し、A64FXで新たにサポートされたFP16SIMD処理を用いた実装した。このソルバをGPUにも移植し、約1,000億格子のITER規模計算の性能を富岳(A64FX)とSummit(V100)で測定した。従来の非省通信型ソルバに比べて、新しいソルバはGT5Dを$$2 sim3$$倍加速し、富岳とSummitの両方で5,760CPU/GPUまで良好な強スケーリングが得られた。

論文

Acceleration of fusion plasma turbulence simulations using the mixed-precision communication-avoiding Krylov method

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

Proceedings of International Conference on High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis (SC 2020) (Internet), p.1318 - 1330, 2020/11

5次元ジャイロ運動論モデルに基づく次世代核融合実験炉ITERのマルチスケールfull-$$f$$シミュレーションは核融合科学において最も計算コストが大きい問題の一つである。本研究では、新しい混合精度省通信クリロフ法を用いてジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dを高速化した。演算加速環境における大域的集団通信のボトルネックを省通信クリロフ法によって解決した。これに加えて、A64FXにおいて新たにサポートされたFP16SIMD演算を用いて設計された新しいFP16前処理により、反復(袖通信)の回数と計算コストの両方を削減した。富岳とSummitにおける1,440CPU/GPUを用いた1,000億格子のITER規模シミュレーションに対して、提案手法の処理性能は従来の非省通信クリロフ法に比べてそれぞれ2.8倍, 1.9倍高速化され、5,760CPU/GPUまで良好な強スケーリングを示した。

論文

Communication-avoiding Krylov solvers for extreme scale nuclear CFD simulations

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; Ali, Y.*; 今村 俊幸*

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.225 - 230, 2020/10

ジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dにおける半陰解法差分ソルバ向けに新しいFP16(半精度)前処理付き省通信型クリロフソルバを開発した。このソルバでは、大域的集団通信のボトルネックを省通信型クリロフ部分空間法を用いて解決し、FP16前処理を用いて収束特性を改善することで袖通信の回数を削減した。FP16前処理は演算子の物理特性に基づいて設計され、A64FXにおいて新たにサポートされたFP16SIMD演算を用いて実装された。本ソルバは富岳(A64FX)とSummit(V100)に移植され、JAEA-ICEX(Haswell)に比べてそれぞれ$$sim$$63倍, $$sim$$29倍のソケットあたり性能の向上を達成した。

論文

Non-invasive imaging of radiocesium dynamics in a living animal using a positron-emitting $$^{127}$$Cs tracer

鈴井 伸郎*; 柴田 卓弥; 尹 永根*; 船木 善仁*; 栗田 圭輔; 保科 宏行*; 山口 充孝*; 藤巻 秀*; 瀬古 典明*; 渡部 浩司*; et al.

Scientific Reports (Internet), 10, p.16155_1 - 16155_9, 2020/10

 被引用回数:0

Visualizing the dynamics of cesium (Cs) is desirable to understand the impact of radiocesium when accidentally ingested or inhaled by humans. The positron-emitting nuclide $$^{127}$$Cs was produced using the $$^{127}$$I ($$alpha$$, 4n) $$^{127}$$Cs reaction, which was induced by irradiation of sodium iodide with a $$^{4}$$He$$^{2+}$$ beam from a cyclotron. We excluded sodium ions by using a material that specifically adsorbs Cs as a purification column and successfully eluted $$^{127}$$Cs by flowing a solution of ammonium sulfate into the column. We injected the purified $$^{127}$$Cs tracer solution into living rats and the dynamics of Cs were visualized using positron emission tomography; the distributional images showed the same tendency as the results of previous studies using disruptive methods. Thus, this method is useful for the non-invasive investigation of radiocesium in a living animal.

論文

大規模多相流体解析向け省通信型マルチグリッド前処理付き共役勾配法

井戸村 泰宏; 小野寺 直幸; 山田 進; 山下 晋; 伊奈 拓也*; 今村 俊幸*

スーパーコンピューティングニュース, 22(5), p.18 - 29, 2020/09

多相多成分熱流動解析コードJUPITERの圧力ポアソン方程式に省通信型マルチグリッド前処理付き共役勾配(CAMGCG)法を適用し、従来のクリロフ部分空間法と計算性能と収束特性を比較した。CAMGCGソルバは問題サイズによらずロバーストな収束特性を示し、通信削減と収束特性向上を両立することから、通信削減のみを実現する省通信クリロフ部分空間法に対する優位性が高い。CAMGCGソルバを900億自由度の大規模多相流体解析に適用し、前処理付共役勾配法ソルバと処理性能を比較した。このベンチマークにおいて、反復回数は約1/800に削減され、Oakforest-PACS上で8,000ノードに至る良好な強スケーリングを維持しつつ約11.6倍の性能向上を達成した。

論文

Implementation and performance evaluation of a communication-avoiding GMRES method for stencil-based code on GPU cluster

松本 和也*; 井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 真弓 明恵; 山田 進

Journal of Supercomputing, 75(12), p.8115 - 8146, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Computer Science, Hardware & Architecture)

ジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dにおける反復法線形ソルバの性能向上に向けて省通信一般化最小残差法(CA-GMRES)をCPU-GPUハイブリッドクラスタで実装した。CA-GMRESに加え、計算量を削減するために我々が提案した修正版CA-GMRES(M-CA-GMRES)の実装と評価も行った。本研究から、集団通信回数の最小化と密行列積演算による高効率演算というCA-GMRESの利点が実証された。性能評価は1ノードあたりNVIDIA Tesla P100 GPU4台を搭載したReedbush-L GPUクラスタで実施した。この結果、M-CA-GMRESによりCA-GMRES, 一般化共役残差法(GCR), GMRESに比べてそれぞれ1.09x, 1.22x, 1.50xの高速化が示された。

論文

GPU acceleration of communication avoiding Chebyshev basis conjugate gradient solver for multiphase CFD simulations

Ali, Y.*; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 今村 俊幸*

Proceedings of 10th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2019), p.1 - 8, 2019/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:1.37

大規模線形問題の反復法ソルバはCFDコードで共通に用いられる。前処理付共役勾配(P-CG)法は最も広く用いられている反復法の一つである。しかしながら、P-CG法では、特に演算加速環境において、大域的集団通信が重要なボトルネックとなる。この問題を解決するために、省通信版のP-CG法がますます重要になっている。本論文では多相CFDコードJUPITERにおけるP-CG法と前処理付チェビシェフ基底省通信CG(P-CBCG)法を最新のV100GPUに移植する。全てのGPUカーネルは高度に最適化され約90%のルーフライン性能を達成し、ブロックヤコビ前処理はGPUの高い演算性能を引き出すように再設計し、さらに残された袖通信のボトルネックは通信と計算のオーバーラップによって回避した。P-CG法とP-CBCG法の全体性能は大域的集団通信と袖通信の省通信特性によって左右され、GPUあたりのノード間通信帯域が重要となることが示された。開発したGPUソルバはKNLにおける以前のCPUソルバの2倍に加速され、Summitにおいて7,680GPUまで良好な強スケーリングを達成した。

論文

Communication avoiding multigrid preconditioned conjugate gradient method for extreme scale multiphase CFD simulations

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 山下 晋; 小野寺 直幸; 山田 進; 今村 俊幸*

Proceedings of 9th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2018) (Internet), p.17 - 24, 2018/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

多相流体CFDコードJUPITERの圧力ポアソン方程式に省通信マルチグリッド前処理付共役勾配(CAMGCG)法を適用し、省通信クリロフ部分空間法と計算性能と収束特性を比較した。JUPITERコードにおいてCAMGCGソルバ問題サイズによらずロバーストな収束特性を有し、通信削減と収束特性向上を両立することから、通信削減のみを実現する省通信クリロフ部分空間法に対する優位性が高い。CAMGCGソルバを$$sim 900$$億自由度の大規模多相流体CFDシミュレーションに適用して反復回数を前処理付CG法の$$sim 1/800$$に削減し、Oakforest-PACSにおける8,000ノードまでの良好な強スケーリングとCG法の$$sim 11.6$$倍の性能向上を達成した。

論文

Ce substitution and reduction annealing effects on electronic states in Pr$$_{2-x}$$Ce$$_x$$CuO$$_4$$ studied by Cu $$K$$-edge X-ray absorption spectroscopy

浅野 駿*; 石井 賢司*; 松村 大樹; 辻 卓也; 伊奈 稔哲*; 鈴木 謙介*; 藤田 全基*

Journal of the Physical Society of Japan, 87(9), p.094710_1 - 094710_5, 2018/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:42.19(Physics, Multidisciplinary)

We investigated the Ce substitution and reduction annealing effects on the electronic states at copper sites by Cu $$K$$-edge X-ray absorption near-edge structure measurements in Pr$$_{2-x}$$Ce$$_x$$CuO$$_{4+alpha-delta}$$ (PCCO) with varying $$x$$ and $$delta$$ (amount of oxygen loss during annealing). Absorption near-edge spectra were modified by Ce substitution and reduction annealing similarly with increasing $$x$$ and $$delta$$. Considering electron doping by Ce substitution, this similarity indicates an increase in electron number at the copper sites due to annealing ($$n_{AN}$$). Furthermore, quantitative analyses of the spectra clarified that the number of Cu$$^+$$ sites, corresponding to the induced electron number by Ce substitution increases linearly with $$x$$ in the as-sintered PCCO, whereas $$n_{AN}$$ is not exactly equal to 2$$delta$$. For each $$x$$-fixed sample, $$n_{AN}$$tends to exceed 2$$delta$$ with increasing $$delta$$, suggesting the emergence of two types of carrier due to annealing.

論文

Development of a water purifier for radioactive cesium removal from contaminated natural water by radiation-induced graft polymerization

瀬古 典明*; 保科 宏行*; 笠井 昇*; 柴田 卓弥; 佐伯 誠一*; 植木 悠二*

Radiation Physics and Chemistry, 143, p.33 - 37, 2018/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:21.94(Chemistry, Physical)

Six years after the Fukushima-nuclear accident, the dissolved radioactive cesium (Cs) is now hardly detected inenvironmental natural waters. These natural waters are directly used as source of drinking and domestic waters in disaster-stricken areas in Fukushima. However, the possibility that some radioactive Cs adsorbed on soil or leaves will contaminate these natural waters during heavy rains or typhoon is always present. In order for the returning residents to live with peace of mind, it is important to demonstrate the safety of the domestic waters that they will use for their daily life. For this purpose, we have synthesized a material for selective removal of radioactive Cs by introducing ammonium 12-molybdophosphate (AMP) onto polyethylene nonwoven fabric through radiation-induced emulsion graft polymerization technique. Water purifiers filled with the grafted Csadsorbent were installed in selected houses in Fukushima. The capability of the grafted adsorbent to remove Cs from domestic waters was evaluated for a whole year. The results showed that the tap water filtered through the developed water purifier contained no radioactive Cs, signifying the very effective adsorption performance of thedeveloped grafted adsorbent. From several demonstrations, we have commercialized the water purifier named "KranCsair".

論文

Application of a preconditioned Chebyshev basis communication-avoiding conjugate gradient method to a multiphase thermal-hydraulic CFD code

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 真弓 明恵; 山田 進; 今村 俊幸*

Lecture Notes in Computer Science 10776, p.257 - 273, 2018/00

前処理付チェビシェフ基底省通信共役勾配(P-CBCG)法を多相熱流体CFDコードJUPITERにおける圧力ポアソン方程式に適用し、8,208台のKNLプロセッサを搭載したOakforest-PACS上で計算性能と収束特性を前処理付共役勾配(P-CG)法や前処理付省通信共役勾配(P-CACG)法と比較した。P-CBCG法は収束特性のロバースト性を維持しつつ集団通信回数を削減する。このロバースト性向上により、P-CACG法と比べて一桁以上大きい省通信ステップ数を実現する。2,000プロセッサを用いた場合、P-CBCG法はP-CG法, P-CACG法と比べてそれぞれ1.38倍, 1.17倍高速であることを示した。

論文

原子炉過酷事故時における炉内溶融物移行挙動の大規模数値シミュレーション

山下 晋; 伊奈 拓也*; 井戸村 泰宏; 吉田 啓之

第31回数値流体力学シンポジウム講演論文集(DVD-ROM), 7 Pages, 2017/12

原子力機構では、過酷事故時の炉内溶融物移行挙動進展を現象論的に評価するために、数値流体力学的手法に基づく3次元多相多成分熱流動解析手法(JUPITER)の開発を行っている。原子炉過酷事故では、燃料棒1本スケール(数cm)から圧力容器スケール(十数メートル)まで非常に広範囲に渡るマルチスケール・マルチフィジクス現象を含むため、溶融物の移行挙動の詳細な予測のためには、高性能な大規模計算が必要不可欠となる。このような問題を解決するため、大規模並列計算に適した計算スキームの適用だけでなく、計算負荷の多くを占める圧力Poissonソルバーに対する反復解法を超並列計算に適したソルバーを適用した。これら手法を用いて、原子炉過酷事故時の炉内状況予測に向けた溶融物移行挙動解析手法の有効性評価と大規模計算への対応のため、実験解析及び予備解析を実施し、妥当性並びに大規模計算における良好な並列性能を有することを確認した。

論文

Application of a communication-avoiding generalized minimal residual method to a gyrokinetic five dimensional Eulerian code on many core platforms

井戸村 泰宏; 伊奈 拓也*; 真弓 明恵; 山田 進; 松本 和也*; 朝比 祐一*; 今村 俊幸*

Proceedings of 8th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2017), p.7_1 - 7_8, 2017/11

ジャイロ運動論的5次元オイラーコードGT5Dに省通信一般化最小残差(CA-GMRES)法を適用し、一般化共役残差(GCR)法を用いたオリジナルコードとの性能比較をJAEA ICEX(Haswell)、Plasma Simulator(FX100)、Oakforest-PACS(KNL)において実施した。CA-GMRES法はGCR法に比べて約3.8倍の演算密度となることから、メモリとネットワークの帯域が制限された将来のエクサスケールアーキテクチャに適合する。性能評価の結果、GCR法に比べて計算カーネルは1.47$$sim$$2.39倍加速され、1,280ノード処理におけるデータ縮約通信は全体コストの5$$sim$$13%から約1%に削減された。

論文

A Numerical simulation method for molten material behavior in nuclear reactors

山下 晋; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; 吉田 啓之

Nuclear Engineering and Design, 322, p.301 - 312, 2017/10

 被引用回数:13 パーセンタイル:7.51(Nuclear Science & Technology)

過酷事故時の沸騰水型原子炉における溶融物の詳細な挙動について大きな注目を集めている。この挙動を明らかにするために、原子力機構では3次元多相多成分熱流動解析コードJUPITERを開発している。本論文では、JUPITERの妥当性を確認するために計算手法の基礎的妥当性検証及び実験結果との比較を実施し、良好な一致を得ることができた。加えて新たに開発したハイブリッド並列Poissonソルバーを導入することによって劇的に性能が向上した。そして、スーパーコンピュータ「京」において20万コアまでのストロングスケーリングを達成した。これらJUPITERの物理的、計算機的能力は、過酷事故時の各種溶融現象の評価を可能にするものと言える。

論文

Quadruple-precision BLAS using Bailey's arithmetic with FMA instruction; Its performance and applications

山田 進; 伊奈 拓也*; 佐々 成正; 井戸村 泰宏; 町田 昌彦; 今村 俊幸*

Proceedings of 2017 IEEE International Parallel & Distributed Processing Symposium Workshops (IPDPSW) (Internet), p.1418 - 1425, 2017/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:21.83

本発表では、BaileyのDouble-Doubleアルゴリズムを利用した4倍精度基本線形代数演算ライブラリ「BLAS」の高速化と、それを4倍精度固有値計算ルーチンに適用した際の計算性能の向上について発表する。特筆すべき成果は、積和演算の中間結果を高精度で保持して計算できるFMA命令を利用することで、我々がこれまでに開発した4倍精度BLASと比較し、代表的なルーチンで20$$sim$$45%の高速化を実現したことである。さらに、4倍精度固有値ソルバ「QPEigenK」が利用している4倍精度BLASをFMA命令を利用して開発したものに置き換えるだけで、原子力機構のICE Xおよび東京大学のFX10の2つのスパコンの大規模並列計算において10$$sim$$20%の高速化を実現した。この成果は、計算機の大規模化に伴って必要になりつつある高精度計算の高速な実行に資する成果である。

論文

Optimization of fusion kernels on accelerators with indirect or strided memory access patterns

朝比 祐一*; Latu, G.*; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; Grandgirard, V.*; Garbet, X.*

IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 28(7), p.1974 - 1988, 2017/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:41.29(Computer Science, Theory & Methods)

セミ・ラグランジュ法における間接メモリアクセス、有限差分法におけるストライドメモリアクセスといった複雑なメモリアクセスパターンを有する核融合プラズマ乱流コードの高次元ステンシル計算をGPGPUやXeon Phiプロセッサ等の演算加速器上で最適化した。どちらのデバイスでも、Array of Structure of Array (AOSOA)データレイアウトが連続的なメモリアクセスに有効である。Xeon Phiでは時空間データ局所性の向上によるローカルキャッシュの効率的利用が必要不可欠である。GPGPUではテクスチャメモリの利用がセミ・ラグランジュ法の間接メモリアクセス性能を向上する。これらの最適化により、アクセラレータ用核融合カーネルはCPU用カーネルに比べてSandy Bridge (CPU)用最適化コードに比べて1.4x - 8.1x高速化した。

論文

Left-preconditioned communication-avoiding conjugate gradient methods for multiphase CFD simulations on the K computer

真弓 明恵; 井戸村 泰宏; 伊奈 拓也; 山田 進; 今村 俊幸*

Proceedings of 7th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2016) (Internet), p.17 - 24, 2016/11

左前処理省通信共役勾配(LP-CA-CG)法を多相数値流体力学コードJUPITERの圧力Poisson方程式に適用した。LP-CA-CG法の演算密度を分析し、内積処理と三項間漸化式処理のループ分割を行うことで演算密度を大きく向上した。ブロックヤコビ前処理及びアンダーラップ前処理を適用した2つのLP-CA-CGソルバを開発した。京コンピュータ上では局所的な1対1通信のスケールが良好であることと、アンダーラップ前処理を適用すると収束性が悪くなることにより、ブロックヤコビ前処理ソルバにより良好な性能が得られた。このソルバは3万ノードまで良好な強スケーリングを示し、大域的集団通信のコストを69%削減することにより従来のCG法ソルバに比べて高い性能を達成した。

論文

Computational challenges towards Exa-scale fusion plasma turbulence simulations

井戸村 泰宏; 朝比 祐一; 伊奈 拓也; 松岡 清吉

Proceedings of 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2016), p.3106 - 3107, 2016/08

核融合プラズマにおける乱流輸送はITERにおける重要課題の一つである。この課題を5次元ジャイロ運動論モデルで研究するために新たな計算技術を開発し、ジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dの強スケーリングを京コンピュータ上で約60万コアまで向上した。この計算技術は多次元/多階層領域分割、通信と計算のオーバーラップ、計算カーネルのマルチコアCPUへの最適化から構成される。この計算性能によって乱流輸送の装置サイズ依存性等のITERの重要課題の研究が可能になった。次世代の核燃焼プラズマ乱流シミュレーションに向けて、運動論的電子や多種イオンを含む物理モデルの拡張を進め、さらに最新のメニーコア環境で計算カーネルを最適化した。

論文

($$n,gamma$$)法で得られる$$^{99}$$Moからの高濃度$$^{rm 99m}$$Tc溶液の大量製造技術の評価; $$^{rm 99m}$$Tcの代わりに非放射性Reを用いた基礎的検討

棚瀬 正和*; 藤崎 三郎*; 太田 朗生*; 椎名 孝行*; 山林 尚道*; 竹内 宣博*; 土谷 邦彦; 木村 明博; 鈴木 善貴; 石田 卓也; et al.

Radioisotopes, 65(5), p.237 - 245, 2016/05

$$^{98}$$Mo($$n,gamma$$)$$^{99}$$Mo反応で生成する$$^{99}$$Moから高放射能濃度の$$^{rm 99m}$$Tc溶液を得る方法として、$$^{99}$$Mo/$$^{rm 99m}$$Tcのアルカリ溶液からの$$^{rm 99m}$$TcのMEKによる溶媒抽出、塩基性アルミナカラムによる精製、酸性アルミナカラムによる吸着、溶離により$$^{99}$$Tc溶液を製品とする方法を提案した。本研究では、その基礎的検討として、$$^{rm 99m}$$Tcの放射能として2.5$$sim$$36.7TBqに相当する量の非放射性Reを代替元素として用い、Reの酸性アルミナカラムへの吸着およびその溶離特性について調べた。その結果、本試験条件のRe量において、短時間の操作時間で高い回収率を示し、JMTRで生成する15TBq規模での高濃度$$^{rm 99m}$$Tcの製造でも、酸性アルミナカラムは十分適用可能であることが明らかになった。

論文

Evaluation of a cesium adsorbent grafted with ammonium 12-molybdophosphate

柴田 卓弥; 瀬古 典明; 天田 春代; 笠井 昇; 佐伯 誠一; 保科 宏行; 植木 悠二

Radiation Physics and Chemistry, 119, p.247 - 252, 2016/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.13(Chemistry, Physical)

A fibrous adsorbent for radioactive cesium (Cs) removal has been developed by radiation induced graft polymerization. To apply the developed adsorbent to drinking water, the stability of adsorbent having high affinity for Cs ligand, ammonium 12-molybdophosphate (AMP), was evaluated. As a result, since a crosslinking structure was introduced onto the grafted AMP, it could be successfully satisfied the regulation of Food Sanitation Act. Finally, the Cs adsorbent was commercialized as water purifier named by "KranCsairtextregistered".

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