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論文

Fuel debris' air cooling analysis using a lattice Boltzmann method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 河村 拓馬; 上澤 伸一郎; 山下 晋; 吉田 啓之

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 6 Pages, 2019/05

福島第一原子力発電所の廃炉の方法の一つとして、乾式法が挙げられる。日本原子力研究開発機構(JAEA)では、空冷性能のCFD評価手法としてJUPITERコードを開発している。しかしながら、JUPITERコードにおいて、複雑な原子炉内構造物を捉えた解析を実施するためには、非常の多くの計算資源と計算時間が必要となる。このような問題に対して、本研究ではGPUスーパーコンピュータに適した格子ボルツマン法に基づくCityLBMコードを開発している。CityLBMにてDry methodを模擬したJAEAの実験に対して検証計算を行なった結果、JUPITERコードと同様の結果が得られることが示された。また、同じ解像度および同数の並列数にて計算速度の比較を行った結果、GPUを用いたCityLBM法は、CPUを用いたJUPITERの1/6の計算時間にて解析が行えることが示された。以上の結果より、CityLBMは熱流動解析コードの有効な手法の一つであることが示された。

論文

Implementation of a gyrokinetic collision operator with an implicit time integration scheme and its computational performance

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 沼波 政倫*

Computer Physics Communications, 235, p.9 - 15, 2019/02

 パーセンタイル:100(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

陰的時間積分スキームを用いてSugama衝突演算子をジャイロ運動論的ブラゾフコードGKVに実装した。新手法はオペレータスプリッティング、陰的時間積分、クリロフ部分空間反復法ソルバを用いており、線形化衝突演算子の詳細に依存しない汎用的な手法となっている。数値計算テストでは衝突項が制限する時間ステップ幅を超えて安定な計算が実証できた。データ転置を用いることで、反復計算中に通信が発生しない分散メモリシステムにおける効率的実装を実現した。これにより、本手法は計算効率向上と計算コスト削減を同時に達成し、アプリケーションの全体性能を大きく加速する。

論文

大規模シミュレーションによる稠密炉心内気液二相流特性の解明,4; 地球シミュレータを用いたTPFITコードの燃料集合体内大規模二相流解析

吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 呉田 昌俊*; 永吉 拓至*; 高瀬 和之; 秋本 肇

日本原子力学会和文論文誌, 4(2), p.106 - 114, 2005/06

原子炉の熱設計においては実験により得られた各種の構成式を含む解析コードが用いられるが、超高燃焼水冷却増殖炉などで用いられる高稠密炉心への構成式の適用性は十分には確認されていない。そこで、原子炉熱設計における"Design by Analysis"の確立を目指し、炉心内気液二相流の数値シミュレーション手法を開発している。この本手法開発では、炉心内の流体混合挙動等を詳細に解析可能な解析手法を開発している。本研究では、この一環として、稠密炉心内等の二相流を高精度に解析するため、高い体積保存性を有する界面追跡法の開発及び検証を実施している。本報では、大規模解析を現実的な時間で可能とするため、TPFITコードのベクトル化及び並列化を実施した。ベクトル並列化したTPFITコードを稠密炉心内二相流の解析に適用し、中性子ラジオグラフィにより観察されたボイド率分布と同様の結果が得られることを確認した。

論文

流体抗力を低減するための随伴変数法による形状最適化とそのITBLへの適用

篠原 主勲; 奥田 洋司*; 伊東 聰*; 中島 憲宏; 井田 真人

計算工学講演会論文集, 10(2), p.629 - 632, 2005/05

体積一定の制約条件下で圧力抵抗が最低となる最適な形状を構築するため、随伴変数法を定式化し、最急降下法を用いてArmijoの基準に基づく直線探索法の並列化アルゴリズムを構築した。またITBLというグリッド・コンピューティング環境で並列分散処理機能を用いて、効率的に演算処理する方式を提案した。構造の特性,信頼性,コスト性が複雑に絡み合う評価関数,制約条件からなる高負荷の計算が要求されるラグランジュ関数の極値の探索方法を構築した。極値探索で生じる膨大な計算量を、不特定多数のスーパーコンピュータを用いて、ホスト間のデータ通信を削減し、最適な形状更新ベクトルの探索を並列分散処理することで、実時間の計算処理を可能とした。

論文

共有分散メモリ型並列計算機における新規通信手法

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。

論文

没入型VR装置における並列ボリュームレンダリング

中島 憲宏; 大野 暢亮*; 鈴木 喜雄*; 呉田 昌俊*

電気学会論文誌,C, 124(10), p.2197 - 2198, 2004/10

没入型VR装置でボリュームレンダリングを行う場合、テクスチャマッピングを利用すると簡易に実行できるが、特に視点がデータに近い場合、描画速度に問題がある。われわれは、テクスチャを利用しなくとも、2つの高速化アルゴリズムの併用とその並列化により、高速なボリュームレンダリングが没入型VR装置で実現できることを示した。本開発により、ボリュームレンダリングによるデータ全体の把握を、没入型VR装置でも高速に行うことが可能となった。

論文

強相関電子系における超大規模固有値問題; 地球シミュレータ上でのベクトル並列計算

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$$sim$$5倍高速に計算できることを確認した。

論文

On the electronic structure of CmF$$_{{it n}}$$(${it n}$=1-4) by all-electron Dirac-Hartree-Fock calculations

望月 祐志*; 舘脇 洋*

Journal of Chemical Physics, 118(20), p.9201 - 9207, 2003/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:86.62(Chemistry, Physical)

弗化物はアクチニドのポピュラーな化合物であるが、原子力エネルギー分野の主役であるUとPuの弗化物を例外として他の元素についてはほとんど知見が得られていない。しかし、ランタニドと比較すると後期のアクチニドでも+4価と取れるなど化学的な差異は知られており、計算によってこうした側面に切り込むことが出来れば、原子力工学・基礎無機化学にとって大きな意味が期待される。本研究では、CmとGdを例に取って、4弗化物までをDirac-Hartree-Fock計算によって系統的に調べた。本結果から、「CmF$$_{4}$$が合成可能なのに、GdF$$_{4}$$が不可能な理由」,中心金属の実効電子配置などの知見が世界で初めて明らかにされた。大規模並列計算としても、当該分野で過去最大のものである。

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

日本原子力研究所Origin3800システムにおける大規模核融合プラズマシミュレーション及びストレージグリッドの開発

井戸村 泰宏; 足立 将晶*; 五來 一夫; 鈴木 喜雄; Wang, X.*

プラズマ・核融合学会誌, 79(2), p.172 - 187, 2003/02

これまで数値トカマク実験(NEXT)研究計画の下でさまざまな流体コード,粒子コード、あるいは、ハイブリッドコードが開発されてきた。これらのコードには高性能プロセッサー,高速ストレージシステム、及び、高速並列可視化システムから構成されるシミュレーション環境が必要とされる。本論文では、こういった観点から原研Origin3800システムの性能を検証した。性能評価においては、代表的な粒子コードと流体コードは512プロセッサーを用いた並列計算で$$14sim 40$$%という実効性能が示された。I/OについてはStorage Area Network (SAN)による高速並列データ転送が実現している。並列可視化処理システムに関しては、以前のワークステーションに比べて飛躍的に高速な大規模データの可視化処理が可能になっている。このように原研Origin3800システムでは非常に先進的なシミュレーション環境が実現している。また、最近では遠隔ユーザの利便性を向上するためにストレージグリッドの開発を進めている。ストレージグリッドはSANと波長分割多重伝送装置(WDM)の組み合わせにより構成される。初期テストにより、ストレージグリッドでは従来のデータ転送手法と比較して飛躍的に高速なデータ転送($$sim 100$$Gbps)が広域ネットワークを経由して可能であることが示された。

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*

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

Molecular dynamics simulation of 7,8-dihydro-8-oxoguanine DNA by FMM and MTS method

石田 恒

Proceedings of the International Conference on Bioinformatics 2002 (CD-ROM), 6 Pages, 2002/02

核酸などの強い静電相互作用を持つ生体高分子の分子動力学には、高速かつ高精度なアルゴリズムが不可欠である。今回、静電相互作用を能率的に取り扱いながら時間ステップを増大するため、高速多重極子展開法(FMM)とマルチ時間ステップ法(MTS)を併用するアルゴリズムを構築した。FMMは計算領域をツリー階層的なセルに分割し、静電相互作用を高速かつ高精度に計算する。なお、このFMMは空間分割法で並列化された。MTSではLiouville演算子の高次展開法を用いてFMMにおけるセルの階層に適用できるようにした。この手法を用いて7,8-dihydro-8-oxoguanine(8-oxoG)を含む8-oxoG DNAの分子動力学を実行した。その結果、8-oxoG付近で主鎖角$$varepsilon$$-$$zeta$$がB$$_{II}$$構造,グリコシド結合角$$delta$$がhigh-$it anti$構造,$rm Helical Twist$が異常に低い構造をとることがわかった。また、主成分解析により8-oxoG付近の水和構造の変化が8-oxoG DNAの構造遷移のきっかけとして働いていることがわかった。

論文

Parallel lattice fluid simulations for transport phenomena in porous media

渡辺 正; 河野 浩二*; 大橋 弘忠*

Application of High-Performance Computing in Engineering VII, p.115 - 124, 2002/00

格子流体法により天然バリア中の物質輸送現象の並列計算を行うため、計算手法の特徴と並列計算効率について検討した。実数格子ガス法では粒子の位置と速度は実数値で表され、不特定のプロセッサ間において不特定の数の粒子の転送が生じる。格子ボルツマン法では粒子は格子上を移動するため、隣接するプロセッサ間で一定量の転送のみを行う。これらを考慮し分散メモリに対応した並列化を行うことにより32並列において18倍前後の高速化が達成された。また、不特定の粒子の転送にあたっては、まず一定量を転送し、次に残りを転送することが効率的であることがわかった。共有メモリを利用する場合は、メモリ使用量及び転送量を少なくし、同等の高速化が達成されることが明らかとなった。

報告書

Origin 3800システムにおけるPARASOLコードの超並列計算

細川 哲成*; 滝塚 知典

JAERI-Data/Code 2001-026, 19 Pages, 2001/10

JAERI-Data-Code-2001-026.pdf:1.66MB

ダイバータ粒子コードPARASOLは、ダイバータ板に挟まれた磁場におけるプラズマの挙動を、静電PIC法と二本衝突モンテカルロ法を用いて自己無撞着に模擬する。PARASOLコードはスカラー並列計算機向きにMPI-1.1に従って並列化され、従来IntelParagonXP/Sシステムで用いられてきた。今回(2001年5月)新しくSGIOrigin3800システムが導入された。このシステムの移行に伴い、PARASOLコードの並列計算の改良を行った。新システムの高性能化とコードの改良の結果、PARASOLのシミュレーションは、前システムに比べ同数のプロセッサで約60倍高速化された。

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

並列数値計算ライブラリ(PARCEL)のベクトル並列機への拡張,1; 高速フーリエ変換

萩原 一郎*; Li, W.*; 仲田 晋*; 山田 進

計算工学講演会論文集, 61(1), p.205 - 208, 2001/05

日本原子力研究所では並列計算機用数値計算ライブラリPARCEL(Parallel Computing Elements)を開発、提供している。PARCELは連立一次方程式,固有値問題,擬似一様乱数及び高速フーリエ変換(FFT)のルーチンで構成されている。PARCELは基本的に分散メモリ型スカラ並列計算機を前提として開発されたものであり、近年の大規模科学技術計算で利用されているベクトル並列計算機上での性能は十分でないことが考えられる。そこで、本研究ではPARCELの数値計算プログラムのうちFFTについて、使用する計算機のアーキテクチャの性能を十分に活用するための改善を行い、ベクトル並列計算機上で高速に計算するためのルーチンを開発した。また、ベクトル並列計算機VPP300及びSX-4を用いた性能評価から実際に高速化することを確認した。

論文

緊急時放射能放出源推定システムの広域分散計算環境への実装とその実時間可視化

村松 一弘; 今村 俊幸; 北端 秀行; 金子 勇; 武宮 博*; 長谷川 幸弘*; 山岸 信寛*; 平山 俊雄

計算工学講演会論文集, 6(1), p.241 - 244, 2001/05

インターネットなどのネットワークで接続された複数の計算機資源を高性能な仮想並列計算機とみなし、この広域分散計算機環境上で大規模な科学技術計算を実行しようという試みが考えられる。いわゆるメタコンピューティング実験である。筆者らはこの考えにもとづき、広域分散計算環境上に緊急時放射能放出源推定システムを実装して、その計算結果で実時間で可視化し、ユーザのPC上で表示するシステムを開発した。これにより、ユーザは放射能漏れ事故における放射能放出源計算の評価及び推定が短時間で可能になり、本システムの開発はリスク・マネージメントに対する貢献が大きいと考えられる。本論文では、このシステムの構成及びアメリカで開催されたSC2000における実験について報告する。

報告書

第一回「モンテカルロシミュレーション」研究会報文集; 1998年9月10-11日、三菱総合研究所、東京

原子力コード研究委員会原子力コード評価専門部会

JAERI-Conf 2000-018, 342 Pages, 2001/01

JAERI-Conf-2000-018.pdf:19.4MB

第一回「モンテカルロシミュレーション」研究会が、1998年9月10日と11日の両日、東京大手町の三菱総合研究所において開催された。この研究会は、日本原子力研究所の原子力コード委員会が主催して調べたものである。口頭で、コード開発、並列計算、炉物理、燃焼、臨界、遮蔽、被曝、核融合炉、核融合プラズマ、放射能消滅処理、電磁カスケード、核燃料サイクル施設の21件の報告があった。本報文集は、これらの論文をまとめたものである。

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