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山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*
応用数理, 15(2), p.153 - 158, 2005/06
強相関フェルミ原子ガスの量子物性を計算する際に現れる超大規模なハミルトニアン行列の固有値問題を、地球シミュレータ上で高速に計算するために、並列化,ベクトル化手法の開発を行った。この方法では、問題の物理的性質からハミルトニアン行列の非零要素が規則的に分布することを利用する。この手法を用いることにより、1200億次元のハミルトニアン行列の基底状態を数分で計算可能とし、これまで知られていなかった超流動の発現機構を発見することに成功した。
山田 進; 今村 俊幸*; 町田 昌彦; 荒川 忠一*
日本計算工学会論文集, 7, p.243 - 252, 2005/05
ほとんどすべての並列計算機では、データの通信にMPIライブラリを使用する。このMPIには通信処理と演算処理を同時に実行し、通信時間を隠蔽することができる通信命令が用意されている。しかしながら、実際に2つの処理が同時に実行できるかどうかは、計算機のハードウエアの機能やMPIの実装方法に依存しており、多くの計算機で同時に実行することが不可能である。そこで、本研究では共有分散メモリ型並列計算機のノード内並列機能とMPIを組合せて通信処理と演算処理を同時に行う方法を提案した。この方法は単純なプログラムの修正で実現できる。サンプルプログラムに提案方法を適用し、地球シミュレータ,日立SR8000,Compaq AlphaServer上で実行したところ、実際に通信と演算を同時に実行することが確認でき、最大で約1.8倍の高速化が実現できた。また、通信量の多い物理問題(ハミルトニアン行列の対角化)に適用し、地球シミュレータで実行したところ、約1.6倍の高速化が達成できた。
高瀬 和之
日本機械学会流体工学部門ニューズレター流れ(インターネット), 6 Pages, 2005/04
大規模シミュレーションを利用した先進的原子炉熱設計手法に関する研究を行っている。本研究の目的は、従来熱設計手法のように二相流解析を特徴づける実験式や経験式を極力用いることなく、シミュレーションを主体とした新しい熱設計手法を確立することであり、従来手法と組合せることによって予測精度向上を実現することである。そのために、著者が所属する研究グループでは、二相流直接解析コードの開発,二相流計算の高速化,可視化表示法の高度化,実験による検証データの取得,3次元熱流動計測技術の開発などを行っている。本報では、地球シミュレータを利用した大規模シミュレーションによって原子炉燃料集合体内の3次元水-蒸気二相流分布を、従来手法よりも詳細に予測できることを一連の解析結果から明らかにした。今後も二相流データベースとの予測精度評価を行いながら、シミュレーションを主体とした先進的炉心熱設計手法の確立を目指して研究を展開したい。
山田 進; 今村 俊幸*; 町田 昌彦
Proceedings of 23rd IASTED International Multi-Conference on Parallel and Distributed Computing and Networks (PDCN 2005), p.638 - 643, 2005/02
通信量の多いアプリケーションである強相関フェルミ粒子系問題に現れる超大規模なハミルトニアン行列に対する地球シミュレータ向きの固有値計算プログラムの開発を行った。地球シミュレータは、MPIを利用したノード間の通信処理を演算処理で隠蔽することができないため、通信量の多いアプリケーションではその性能を引き出すことが困難である。そこで、本研究ではノード内並列機能とMPIを組合せることにより、通信処理を演算で隠蔽できる通信手法を提案した。実際にこの通信手法を適用することにより、通常の通信手法を利用した場合より約1.4倍高速化することが確認できた。これにより、世界最大級である1200億次元のハミルトニアン行列の最小固有値を約4分で計算することに成功した。また、10TFLOPSを超える計算性能を達成した。
高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*
ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS 2005)論文集, P. 16, 2005/01
燃料集合体内の二相流解析には従来から二流体モデルが使われているが、二流体モデルはすでに特性が解明されている範囲での平均的かつ巨視的な現象に対してのみ有効であり、気液二相流を特徴づける非定常な界面構造を予測する機構論的な解析法とは言い難い。そこで、著者らは地球シミュレータ等のスパコンを利用して相変化や流動遷移などの複雑な過渡現象を含む二相流挙動を直接的に解析する手法の開発を行っている。本報では、革新的水冷却炉を例として行った検証解析結果について述べる。稠密に配置された燃料棒間の流路形状を簡略模擬した体系で大規模二相流解析を行い、(1)微細な気泡は下流へと移行しながら合体し、次第に成長する,(2)合体により気液界面が大きく変形し、それに伴って気泡周囲に複雑な速度場が形成される等の3次元的な気泡流のダイナミクスを再現できた。予測結果の傾向はモデル実験結果とよく一致しており、大規模シミュレーションを主体とした炉心熱設計の実現に大きな見通しを得た。
小瀬 裕男*; 高瀬 和之; 吉田 啓之; 叶野 琢磨; 呉田 昌俊; 秋本 肇
第41回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 2 Pages, 2004/05
原研が開発を進めている低減速軽水炉を対象として、稠密燃料集合体内の二相流挙動を直接解析によって予測する研究を、地球シミュレータによる大規模シミュレーションによって行っている。本研究では、熱の影響がない非加熱等温流条件に対して、低減速軽水炉の炉心条件をもとに燃料集合体入口の流速やボイド率を変えて一連の解析を実施し、次の傾向の予測に成功した。(1)燃料棒表面が薄厚の液膜で覆われる,(2)燃料棒間隔が狭い領域で液膜の架橋現象が起こる,(3)蒸気は燃料棒間隔が広い三角ピッチ中心部をストリーク状に流れる。
山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*
情報処理学会論文誌; コンピューティングシステム(インターネット), 45(SIG6(ACS6)), p.161 - 170, 2004/05
強相関電子系の電子状態を求める際に現れる超大規模なハミルトニアン行列の固有値のベクトル・並列計算法を提案した。このハミルトニアン行列は小さい行列の直積の形で表せるため、本研究ではその構造を利用し、ベクトル計算する際のメモリアクセスが連続や奇数等間隔になるような計算方法を提案し、実際の計算から通常用いられているアクセスが間接指標となる方法より約4倍高速に計算できることを確認した。また上記の行列の形を利用し、通信量及び演算が均等に分割されている並列計算方法を提案した。これらの提案手法により1次元24サイトのd-pモデルに対応する約180億次元のハミルトニアン行列の最小固有値及び固有ベクトルを地球シミュレータを用いて計算し、提案した並列計算手法は均等に負荷分散ができ、また通信の待ち時間が少ないため、通常用いられる並列計算手法より4
5倍高速に計算できることを確認した。
山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*
京都大学数理解析研究所講究録1362, p.142 - 150, 2004/04
強相関電子系問題において最も高精度な手法であるランチョス法に基づいた厳密対角化法で超大規模なシミュレーションサイズの問題を地球シミュレータで効率的に並列計算するための通信方法を提案し、1次元24サイトのd-pモデル問題に対応する約180億次元の行列を例にその性能を評価した。その結果、単方向通信を用いると通信の同期回数が減らせるため一対一通信及びグループ通信を用いた場合より高速に計算できることが確認できた。また、ランチョス法の反復回数と最小固有値の精度を調査し、上記の行列ならば300回程度の反復で十分であることを確認した。
山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*
ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS 2004)論文集, p.103 - 110, 2004/01
強相関電子系の電子状態を求める際に現れる超大規模なハミルトニアン行列の固有値の並列計算法を提案した。このハミルトニアン行列は小さい行列の直積の形で表せるため、本研究ではその構造を利用し、地球シミュレータに代表されるベクトル並列計算機向きのベクトル・並列計算法を提案した。この方法により、これまでメモリの制限で計算することが不可能であった24サイトのd-pモデルに対応する約180億次元のハミルトニアン行列の最小固有値及び固有ベクトルを地球シミュレータの128ノード(1024プロセッサ)を利用し求めることに成功した。
高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 玉井 秀定; 叶野 琢磨; 秋本 肇
日本混相流学会年会講演会2003講演論文集, p.33 - 34, 2003/00
原研が開発を進めている低減速軽水炉を対象として、稠密燃料集合体の二相流挙動を直接解析によって数値的に予測する研究を行っている。稠密燃料集合体をフルサイズで模擬した体系で直接解析を行うためには膨大な記憶容量を必要とするが、地球シミュレータによって初めてそれが可能になった。解析には、吉田によって開発された二相流解析コードTPFITを使用した。本コードは界面追跡機能を有し、気液界面形状を時間及び空間方向に高精度で輸送できる特徴を持つ。本研究では、熱の影響がない非加熱等温流条件に対して、燃料集合体入口の流速やボイド率を変えて解析を実施した。低減速軽水炉の炉心条件をもとに、気相及び液相の物性値は圧力7.2MPa,飽和温度288
Cにおける蒸気及び水の値を使用した。一連の大規模シミュレーションにより、稠密燃料集合体内の二相流挙動、特にスペーサ周辺の液膜流挙動等の詳細が定量的に明らかになった。
高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 玉井 秀定; 秋本 肇
Proceedings of International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 2003) (CD-ROM), 15 Pages, 2003/00
低減速軽水炉の燃料集合体をフルサイズで模擬した体系下で二相流挙動の詳細を計算機上に再現することを目的として、地球シミュレータを利用した大規模数値シミュレーションを行っている。燃料集合体の解析には従来からサブチャンネル解析コードが利用されているが、実験結果に基づく構成式を必要とするため、本研究対象である1mm程度の狭隘流路における二相流挙動に関する実験データがない場合には高精度の予測は困難である。そこで、筆者らは実験データを必要としない直接解析手法を燃料集合体内二相流解析に適用することを考え、これは地球シミュレータの利用により可能になった。3次元詳細解析の結果、グリッドスペーサ部周辺における流速分布の不均一性を初めて明らかにでき、計算科学的手法による低減速軽水炉の炉心熱設計手法確立の可能性に関して高い見通しを得た。
小林 穣*
JAERI-Data/Code 2002-016, 40 Pages, 2002/09
JAERI-Data-Code-2002-016.pdf:3.78MB
日本原子力研究所計算科学技術推進センターが開発してきたPATRASの非構造六面体格子の機能を理化学研究所が開発中の地球シミュレータ向けソフトウェアであるCHIKAKU SYSTEMに適用した。PATRASをCHIKAKU DYNAMICに適用するにあたり、分離要素に対応するとともに、あらたに2次元テンソル量表示機能とカラーバー表示機能を追加した。新機能に対応したPATRASをCHIKAKU DYNAMICに組み込んだ実時間可視化版を開発した。実時間可視化版には、AVSのUCD形式のデータを出力する機能も開発した。この可視化用データをもとに、ポスト可視化用のコードもあわせて開発した。開発した実時間版及びポスト可視化版コードを使用し、分離要素対応と2次元テンソル量表示がCHIKAKU DYNAMICの解析結果を可視化するうえで有効であることを確認した。あわせて、原研内の3種類の並列計算機で可視化速度を測定し、性能を評価した。
望月 祐志*; 松村 昌幸*; 与倉 徹一*; 平原 幸男*; 今村 俊幸
Journal of Nuclear Science and Technology, 39(2), p.195 - 199, 2002/02
被引用回数：5 パーセンタイル：34.58(Nuclear Science & Technology)DIRACは、2電子積分から直接Fock行列を計算することにより大規模なDirac-Hartree-Fock計算が可能なソフトウェアである。積分の寄与を計算する際、コストの大きい交換項ではアドレスの衝突が起こるために単純なベクトル化はできない。今回、作業配列を導入することによりベクトル化を達成した。また、前段階のスクリーン処理も合わせてベクトル化した。ベクトル化率は、この結果90%を超え、Dirac-Hartree-Fockで2倍,線形応答では約3倍の加速が得られた。なお、この研究は地球シミュレータ用のソフトウェア整備の一環として行ったものである。
上原 均; 田村 正典; 横川 三津夫
ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS2002)論文集, p.73 - 80, 2002/01
大気大循環シミュレーションなどの地球変動研究のための超大規模科学技術計算向けプラットフォームとして、地球シミュレータが現在開発されている。分散メモリ型並列計算機である地球シミュレータ上でプログラムを効率的に実行するには、プログラム内部での通信処理の効率化が必要で、そのためにも事前の通信性能評価は不可欠である。地球シミュレータでは通信用ライブラリとしてMPIが提供されることから、MPIの通信性能を詳細かつ多角的に計測するMBL1/MBL2を用いて、地球シミュレータの計算ノード上におけるMPIの性能計測と評価を行った。
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。
横川 三津夫
日本応用数理学会論文誌, 11(1), p.79 - 81, 2001/03
地球シミュレータシステムは、広い意味で地球シミュレータのハードウェア,オペレーティングシステムなどの基本ソフトウェア,及び地球シミュレータ上の応用ソフトウェアから構成される数値シミュレーションのための統合システムと云える。これは。科学技術庁が推進する地球環境変動予測研究の一環として開発されているものであり、特に地球シミュレータのハードウェアはこのシステムの中核となる超高速並列計算機である。本稿では、このシステムの構成要素についての概要を述べる。
横川 三津夫; 谷 啓二
RIST News, (30), p.24 - 30, 2000/10
宇宙開発事業団、日本原子力研究所及び海洋科学技術センターは、現在、高度な数値シミュレーションにより全地球レベルの複雑な諸現象を計算機上で忠実に再現するために必要な超高速並列計算機システム「地球シミュレータ」の開発を実施している。地球シミュレータ研究開発センターは、この開発を共同で実施するための共同事務所であり、平成10年度に現在の体制が整備された。本稿では、地球シミュレータ研究開発センターが実施している地球シミュレータ開発について紹介する。
横川 三津夫; 新宮 哲*; 萩原 孝*; 磯部 洋子*; 高橋 正樹*; 河合 伸一*; 谷 啓二; 三好 甫*
情報処理学会研究報告, 99(21), p.55 - 60, 1999/00
地球シミュレータは、640台の計算ノードをクロスバネットワークで結合した分散メモリ型並列計算機である。それぞれの計算ノードは、16GBの主記憶装置を8個のベクトル計算機で共有しており、全体のピーク性能は40Tflop/s、主記憶容量は10TBである。地球シミュレータによるプログラムの実効性能を推定するため、地球シミュレータとそれに類似の計算機の動作をシミュレートできるソフトウェアシミュレータ(GSSS)を開発した。いくつかの基本的なプログラムを実行した処理時間について、実測値と推定値を比較した結果、平均で約1%の相対誤差が得られた。また、地球シミュレータの単体プロセッサによる基本的なプログラムの実効速度を推定した結果、平均で4.18Gflop/sが得られた。
