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論文

Development of a generic coupler for parallel and distributed multi-disciplinary simulations on the Japanese ITBL grid infrastructure

羽間 収; 中島 憲宏; Post, P.*; Wolf, K.*

Proceedings of 8th US National Congress on Computational Mechanics (USNCCM-8) (CD-ROM), 1 Pages, 2005/07

原子炉内における複雑物理現象を解明するために計算科学は常に期待され用いられてきた。これは、実物大かつ稼動状態にある原子炉の実験は不可能であると言えるからである。われわれは、計算機上に仮想原子炉を構築し、数値実験により保守や運用に活用できる3次元仮想振動台と称するシミュレーションシステムの開発を行っている。原子炉内の複雑物理現象を数値的に補足するにはあらゆる現象の相互作用を考慮する必要がある。そこでわれわれは、複数の任意シミュレーションソフトを複数台の任意計算機上で連携させることによって弱連成解析を可能とする極めて汎用性の高いカップラの開発を行ってきている。連成解析を行うにあたっては、莫大な計算資源が必要となり、ソフト,ハード各種資源の共有も円滑に図る必要があるため、本研究ではITBLと称されるグリッド基盤上でカップラの開発を行っている。本報告では、開発を行ってきている並列弱連成解析援用カップラとその利用、また今後の展開について紹介する。

論文

Development of a coupler for parallel simulations of weakly coupled systems on the grid-computing environment

羽間 収; 中島 憲宏

計算工学講演会論文集, 10(1), p.259 - 260, 2005/05

われわれは原子力発電プラントの安全性を計算科学技術により解明・立証する技術の研究開発の一貫として、耐震解析情報管制システム及び3次元仮想振動台の開発を検討している。これは現存する原子炉を仮想的に計算機上に再構築し、全体を複雑組み立て構造物として、おもに数値シミュレーションにより地震動等に対する安全性評価実験を行うというものである。本数値実験環境は各種資源の共有を円滑に図ることが肝要であり、また必要とされる計算資源も莫大なものになるため、これらに対処するため現在開発が行われているITBL(Information Technology Based Laboratory)をその基盤とする。原子炉の数値実験を行うにあたっては、種々の外的要因を考慮する必要があり、取り扱う問題はいわゆるマルチフィジクスとなる。そこでわれわれはITBLグリッド環境内において複数の任意シミュレーションソフトを複数台の任意計算機上で連携させることによって弱連成解析を可能とする極めて汎用性の高いカップラの開発を行ってきている。本報告では、開発を行ってきている並列弱連成解析援用カップラとその利用、また今後の展開について紹介する。

論文

Towards coupling arbitrary software on the Japanese ITBL Grid infrastructure using MpCCI

羽間 収; 中島 憲宏

Proceedings of 6th MpCCI User Forum, p.76 - 77, 2005/05

シミュレーション技法や分散・並列解析手法の進歩に伴い、実時間内に複雑な物理現象を数値的に追跡することが可能になりつつある。しかし、一般的には複数の現象が相互に作用している場合がほとんどであり、これを数値シミュレーションにおいて扱うための連成解析手法の研究・開発が進められてきている。現在、われわれは実大・稼動時の原子炉の数値実験を可能とする3次元仮想振動台の開発を行っている。本システムはITBL上において原子炉内における複雑な現象の解明を目指しており、これを実現するためあらゆるソフトウェア・ハードウェアの連携が必要となる。そのため、独Fraunhofer SCAIが開発したMpCCI及び計算科学技術推進センターが開発を行ってきたSTAMPIを併用することで、ITBLにおいて任意ソフト・ハードの連携による連成解析を可能とする機構の開発を行ってきた。今回は3次元仮想振動台の開発状況及び連成解析機構のITBLへの展開について報告する。

論文

Development of an integrated numerical simulation system for parallel fluid-structure coupled simulations

羽間 収; Guo, Z.*

計算工学講演会論文集, 9(2), p.617 - 620, 2004/05

今日、計算科学に携わる者であれば誰もがマルチフィジクスシミュレーションの重要性は認識しているが、実施するにあたってさまざまな障害が存在するためその進展は遅いとされている。例えば、ユーザの要望を満たす連成解析を行えるソフトウェアはほとんど存在しないのが現状である。さらに、詳細な解を得るためにはデータの大規模化が必要となり、連成状態で並列計算を実施する必要があり、複雑性が増す。そこで、われわれは統合数値シミュレーションと呼ばれる基盤技術の研究・開発を行っている。これは原研計算科学技術推進センターが開発を行ってきたSTAMPIライブラリ及びMpCCIライブラリを併用させることで、任意シミュレーションソフトを連携させることによるマルチフィジクスシミュレーションを可能にするものである。現在は基盤を用い、Linux PC及びIBM計算機という異機種間において流体-構造並列弱連成解析が行えるシステムが行えるところまで開発は進んでいる。

報告書

New method for model coupling using Stampi; Application to the coupling of Atmosphere Model (MM5) and Land-Surface Model (SOLVEG)

永井 晴康

JAERI-Data/Code 2003-021, 36 Pages, 2003/12

JAERI-Data-Code-2003-021.pdf:1.73MB

地表付近の熱,水及び物質交換の研究に適用する目的で、大気―陸面結合モデルの開発を行っており、並列計算通信ライブラリMPI(Message Passing Interface)を用いたモデル結合手法を考案した。大気モデルにはペンシルバニア州立大学と米国大気研究センターが開発したメソスケール非静力大気モデル(PSU/NCAR-MM5)を、陸面モデルには原研で開発した接地層大気,土壌及び植生を含む詳細なモデル(SOLVEG)を用いた。また、MPIとしては、原研で開発した異機種並列計算機間通信ライブラリ(Stampi)を用いた。各モデルの独立した平行計算において、それぞれの計算結果をMPIにより交換し合うことにより結合を行う。

論文

Practical integrated simulation systems for coupled numerical simulations in parallel

羽間 収; Guo, Z.

Proceedings of International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 2003) (CD-ROM), p.119 - 120, 2003/09

数値シミュレーションをより現実に近づけるためには、さまざまな物理現象の相互作用を考慮することが必要不可欠である。しかしながら、そのようなマルチフィジクスシミュレーションを行うには数々の障害があり、この分野の進展の遅さにつながっているのが現状である。例えば、マルチフィジクスシミュレーションを行うには、考慮すべき複数の物理現象を解けるソフトが必要であり、一本化されているものはいまだ市場に出回っていない。自主開発ソフトに関しても、単一現象を追う場合と比較すれば、より多くの計算資源が必要となり、詳細なシミュレーションを行うのは難しいと言える。そこで、われわれはドイツのフラウンホーファSCAI研究所にて開発されている高精度補間及びコード連成を行うMpCCIライブラリ並びに原研計算科学技術推進センターにて開発されてきた分散処理を可能とするSTAMPIライブラリの併用を実現しつつあり、それらを既存のシミュレーションソフトウェアで利用可能としている。両者の併用が実現できれば、詳細なマルチフィジクスシミュレーションが現在よりも手軽に、かつメタコンピューティング環境において詳細に行えるという期待が持てる。

論文

Proposal and implementation of a fluid-Structure coupled simulation system with parallel commercial codes

Guo, Z.; 羽間 収; 山極 満; 平山 俊雄; 松澤 照男*

Advances in computational & experimental engineering & sciences (CD-ROM), 6 Pages, 2003/07

高性能な市販汎用解析ソフトウェアは豊富な解析機能に加え、数値信頼性も高いため、学術研究のみならず、新製品開発等にも多用されている。このため、弱連成アプローチを用いた複数の市販汎用解析ソフトウェアによる多元理現象、いわゆる、異なる物理連成問題への応用研究は最近数年、盛んに行われている。これは弱連成解析システムが最も適合な解析ソフトウェアにより構築でき、より複雑な物理現象を精度良く解析することができるためである。しかし、それぞれ独立に並列化された市販ソフトウェアを一つの連成解析システムとして構築すると、市販ソフトウェア間の通信コミュニケータの相互干渉により、連成解析システムが機能しないことがある。本研究は、本来異機種間通信のために開発されたライブラリSTAMPIを活用して通信コミュニケータの相互干渉を解決し、並列市販解析ソフトウェアによる連成解析システムを構築し、その実効性をも検証することを目的とする。

論文

Development of an integrated numerical simulation infrastructure for fluid-structure coupled problems

羽間 収; Guo, Z.

計算工学講演会論文集, 8(2), p.759 - 760, 2003/05

今日、数値シミュレーションはあらゆる理工学分野で用いられ、その用途は設計から物理現象の解明と幅広い。数値シミュレーションはあらゆる場面で用いられるようになってきたが、物理現象の解明に役立てるためには往々にして種々の外的要因を考慮する必要があり、取り扱う問題はmulti-disciliplinaryやマルチフィジクスとなる。このようなシミュレーションには大変高度な知識と技術が要求されるため、その進展は遅いとされている。マルチフィジクス問題において大変重要であると認識されている問題に、流体-構造連成問題がある。われわれはドイツFraunhofer SCAI研究所と共同でMpCCIという通信及び物理量補間ライブラリの開発と普及に力を入れてきた。このMpCCIライブラリを用い、流体,構造ともに任意のプロセッサ数を用いた並列計算が可能な弱連成形式の数値シミュレーション基盤システムの開発を行ってきている。本報告では、今回開発を行った連成解析シミュレーションシステムの紹介を行う。

論文

異機種計算機間MPI通信ライブラリStampiによるVPNを介したSCoreクラスタシステム間通信性能評価

辻田 祐一; 山岸 信寛*; 木村 和幸*; 大谷 孝之; 鶴岡 信彦*; 藤田 直行*

情報処理学会研究報告2002-HPC-92, p.7 - 12, 2002/10

PCクラスタにおける並列処理を支援する目的で開発されたSCoreは、利用者からはPCクラスタ内の各ホストを意識させないシステムとして作られており、SCoreが稼働しているクラスタは一つの計算機のように扱える。SCoreにおけるMPI通信ライブラリとしてMPICH-SCoreがあるが、クラスタ間通信を含む異機種計算機間ではMPI通信が出来ない。本研究では、このSCoreに、異機種計算機間MPI通信ライブラリStampiを移植し、クラスタ間の通信を可能にした。さらにStampiによるクラスタ間の通信性能の評価を行なった。

論文

並列分散科学技術計算用I/OライブラリStampi-I/Oの開発

辻田 祐一; 今村 俊幸; 武宮 博*; 山岸 信寛*

計算工学講演会論文集, 7(1), p.159 - 162, 2002/05

われわれは、MPI(Message Passing Interface)で定められた並列I/O機能であるMPI-I/O機能が異なる計算機間でも自由に利用できるライブラリ、Stampi-I/Oを開発した。Stampi-I/Oは、計算機間のI/O処理を計算機間のデータ通信と計算機内のI/O処理に分離し、前者を既に開発した柔軟な通信基盤を用い、後者を計算機ベンダが提供するMPI-I/Oライブラリを活用することにより実現した。Stampi-I/Oでは、(1)ローカルI/OとリモートI/Oの動的な切替え機能,(2)通信中継プロセスを用いた柔軟な通信基盤,(3)MPI-I/OプロセスによるリモートI/O機能や(4)計算機の仕様に依存しない柔軟な実装を実現している。このStampi-I/Oを、数種類の計算機を用いて基本機能の性能評価を行なったところ、期待されている性能を達成することができた。

論文

Stampi-I/O: A Flexible parallel-I/O library for heterogeneous computing environment

辻田 祐一; 今村 俊幸; 武宮 博*; 山岸 信寛*

Recent Advances in Parallel Virtual Machine and Message Passing Interface, p.288 - 295, 2002/00

われわれは、MPI(Message Passing Interface)で定められた並列I/O機能であるMPI-I/O機能が異なる計算機間でも利用できるライブラリ、Stampi-I/Oを開発した。Stampi-I/Oは計算機間のI/O処理を、既に開発した柔軟な通信基盤と計算機ベンダが提供するMPI-I/Oライブラリを活用することにより実現した。Stampi-I/Oでは、(1)MPI-2に準拠した共通のAPI(Application Program Interface)からローカルI/OとリモートI/Oの両方が行なえる機能、(2)通信中継プロセスを用いた柔軟な通信基盤、(3)MPI-I/OプロセスによるリモートI/O機能や(4)計算機の仕様に依存しない柔軟な実装を実現している。利用者は、Stampi-I/Oを用いることで各計算機の仕様にとらわれることなく自由にMPI-I/O機能が利用できる。このStampi-I/Oの基本機能の性能評価を行なった結果、期待されている性能を達成することができ、さらにStampi-I/Oの柔軟な実装の有効性が確認できた。

論文

Distributed parallel-I/O library for heterogeneous computing environment

辻田 祐一; 今村 俊幸; 武宮 博*; 山岸 信寛*

Proceedings of 5th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI 2001), p.402 - 407, 2001/07

MPI-2に基づいた分散並列I/OライブラリStampi-I/Oを、MPI及びMPI-2に基づいた異機種計算機間通信ライブラリStampiの通信基盤を用いて開発した。Stampiは異機種計算機環境におけるメタコンピューティングを実現するために開発された通信ライブラリである。計算科学における多くのアプリケーションは、一台の計算機では扱いきれない大規模なデータを用いるようになってきている。異機種計算機環境において、このような大規模データの効率的操作のために分散並列I/Oライブラリが必要となってきている。このような状況を踏まえ、Stampi-I/Oは開発された。本稿では、Stampi-I/Oを開発した目的、Stampi-I/Oのアーキテクチャや性能測定試験での結果を報告する。

論文

HF-STEX and RASSCF calculations on nitrogen K-shell X-ray absorption of purine base and its derivative

望月 祐志*; 小出 洋; 今村 俊幸; 武宮 博*

Journal of Synchrotron Radiation, 8(Part.2), p.1003 - 1005, 2001/03

アデニンとグアニン、この2つのプリン塩基分子は、DNAを構成する重要な化合物だが、これまでその物性は原子価電子によるものがおもに取り上げられてきた。原子価電子は非局在性が高いため、原子の局所的情報を得るには不向きである。一方、内殻電子にかかわるX線吸収スペクトルは、Xの局在性故に各原子の局所的化学環境が調べられている。この研究では、プリン塩基の窒素K殻スペクトルを、プリン環への化学修飾、水和などを組み合わせた一連の系へのHF-STEX,RASSCF計算によりシミュレーションし、窒素原子K殻吸収端エネルギーがいかにシフトするか系統的に評価する。この計算の遂行には大規模な並列処理にするが、将来さらに大型の計算も可能とするよう、異機種計算機上での分散並列への対応も合わせて進めている。

論文

異機種計算機間通信ライブラリStampiにおける並列I/O機能の実装

辻田 祐一; 今村 俊幸; 武宮 博*; 山岸 信寛*

情報処理学会研究報告2000-HPC-84, p.43 - 48, 2000/12

われわれは、異機種並列計算機環境における分散並列I/OライブラリとしてMPI-2の仕様に基づいたStampi-I/OをStampiの通信基盤を用い開発した。科学技術計算分野でのアプリケーションでは大規模なデータを扱う傾向により、そのような大規模データを効率的に管理するために分散並列I/O機能が必要となってきた。このような状況に対し、複数の計算機間に効率的に分散して大規模データを管理するために、分散並列I/OライブラリStampi-I/Oを開発した。今回は開発の基礎となる機能のみに限定した開発及び性能評価を行った。本稿では、Stampi-I/Oを開発する目的、システムの構成,現状,性能評価テストそして将来の構築予定について述べる。

論文

Development of regional atmospheric dynamic and air pollution models for nuclear emergency response system WSPEEDI

古野 朗子; 山澤 弘実; Lee, S.; 辻田 祐一; 武宮 博*; 茅野 政道

Proceedings of 4th International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 2000) (CD-ROM), 7 Pages, 2000/09

アジア領域での原子力発電所の増加に伴い、万一の事故時における周辺への影響評価の重要性が増大している。この要請に応えるため、緊急時環境線量情報予測システムWSPEEDIを開発した。現在WSPEEDIには2つのバージョンがある。実用化されている旧バージョンでは、乱流量や降水量などの予測ができないため、大気拡散計算の際に重要な大気境界層や降雨除去プロセスを極めて単純なパラメーターで置き換えている。これは温暖湿潤なアジア領域での計算を行う際には特に不利な条件となる。この問題を解決するたる、大気力学モデルと汚染モデルから成る第二のバージョンを作成した。大気力学モデルは風速、乱流量、降水を含む10の気象要素を細かい分解能で予測する。この組み合わせにより最初のバージョンの単純なパラメタリゼーションを排除することができ、より現実的な予測が可能になる。新しいバージョンは膨大な計算機資源を必要とするため、各モデルをベクトル化した。さらに現在並列化を施している。また限られた計算機資源を有効活用するため、異機種並列計算機間通信ライブラリStampiを導入した。講演では、新しいモデルの導入及び計算手法導入によってもたらされた利点について述べる。

論文

Numerical studies on the interaction between atmosphere and ocean using different kinds of parallel computers

Lee, S.; 茅野 政道

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

本研究では、緊急時の放射性物質の大気と海洋間の移動を迅速に予報できる手法を開発するために、日本原子力研究所が開発した異機種のスーパーコンピュータを1台の計算機のように利用する通信ソフト「Stampi」を用いて、大気と海洋の数値のモデルの結合実験を実施した。実験は日本海を対象にして、大気モデルはPHYSICS、海洋モデルはPOMを利用した。大気-海洋結合により放射性物質の海洋拡散に大きな影響を及ぼす物理課程を詳細に予測できる。またStampiを用いて限られた計算機資源を効果的に利用することにより、緊急時モデルとしての使用も期待できる。今回は緊急時の放射性物質の海洋拡散に直接関連がある表面海流の変化を診て、緊急時のモデルの予報可能性を考察した。

論文

異機種計算機を用いた大気と海洋環境のインタラクションに関するシミュレーション

Lee, S.; 茅野 政道

計算工学講演会論文集, 5(1), p.373 - 376, 2000/05

緊急時の放射性物質の大気と海洋間の移動を迅速に予報できる手法を開発するために、日本原子力研究所が開発した異機種のスーパーコンピュータを1台の計算機のように利用する通信ソフト「Stampi」を用いて、大気と海洋の数値モデルの結合実験を実施した。結合により放射性物質の海洋拡散に大きな影響を及ぼす物理過程を詳細に予測できる。またStampiを用いて限られた計算機資源を効果的に利用することにより、緊急時モデルとしての使用も期待できる。今回は緊急時の放射性物質の海洋核酸に直接関連がある表面海流の変化を診て、緊急時のモデルの予報可能性を考察する。

論文

トカマクプラズマ計算(NEXT)における異機種並列計算機を結合したハイブリッドコンピューティング

今村 俊幸; 小出 洋; 徳田 伸二; 武宮 博

計算工学講演会論文集, 4(1), p.313 - 316, 1999/05

トカマクプラズマの計算機シミュレーションにおいて、粒子モデルと流体モデルの欠点を補う意味で電磁流体中をイオン粒子が運動する粒子-流体ハイブリッドモデルが考案されている。本モデルは、イオン粒子と電磁流体の独立した計算部分に分けられるとともに各計算部分はそれぞれスカラ,ベクトル計算機上で優れた性能を示す。また高密度プラズマ実現のため大容量メモリが要請される。本報告では、このようなモデルの計算特性とシステムに対する要請に合わせ、粒子部分をスカラ型並列計算機(SR2201)に、流体部分をベクトル計算機(VPP300)に割り当てて相互にデータ交換を行いながら1つの計算を行うハイブリッドコンピューティングの結果を報告する。

論文

Meta-scheduling for a cluster of supercomputers

小出 洋; 平山 俊雄; 村杉 明夫*; 林 拓也*; 笠原 博徳*

Int. Conf. on Supercomputing,Workshop 1;Scheduling Algorithms for Parallel-Distributed Computing, p.63 - 69, 1999/00

メタスケジューリング手法の目的は、異機種並列計算機クラスタを使用した、ひとつの科学計算プログラムの計算時間の最小化である。メタスケジューリング手法では、逐次プログラムから、サブルーチンやループ等のマクロタスクを生成するため、OSCARマルチグレイン並列化コンパイラを使用する。資源情報サーバから得られる異機種並列計算機クラスタの負荷に関する情報とコンパイル時に得られるマクロタスクの予測処理時間を使用し、マクロタスクを異機種並列計算機クラスタに動的スケジューリングする。COMPACSのDNYX,SX-4,SR2201,SR2201小型モデル上で、トカマク・プラズマの電場/粒子連成シミュレーションに、メタスケジューリングを適用し、性能評価を行った結果、SX-4の負荷が高いとき、マクロタスクは、SR2201,SR2201小型モデルに自動的に分散され、SX-4一台で計算を行った場合よりも22.7%計算時間が短縮された。

論文

並列分散科学技術計算環境STA,3; 異機種間並列計算機間通信ライブラリの構築

小出 洋; 今村 俊幸; 太田 浩史*; 川崎 琢治*; 武宮 博*; 樋口 健二; 笠原 博徳*; 相川 裕史

計算工学講演会論文集, 3(1), p.81 - 84, 1998/05

日本原子力研究所では、並列処理に関る共通基盤技術の研究開発の一環として、並列プログラミングと異機種並列計算機利用における途切れの無い思考を支援する並列分散科学技術計算環境STA(Seamless Thinking Aid)を開発している。STAは異機種並列計算機ネットワーク上で結合して利用するための機能とその上でのサービスを提供している。このために、異機種並列計算機間で共通の通信インターフェイスを採用した、データを効率良く交換できる、共通通信基盤が必要である。STAは、こうした異機種並列計算機利用のための共通通信基盤Stampiを備えており、ユーザプログラムはMPI2を基本とした異機種並列計算機通信ライブラリStampi-Libを使用して異機種間で自由に通信を行うことができる。本論文では、StampiとStampi-Libの概要について述べる。

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