Transcript 大規模シミュレーションの挑戦；多階層・連結・複雑系

JIFT 研究会
2008/1/17
JIFTと国際高等研フォーラム
「多階層連結コンピューティング」
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
三間圀興
アウトライン
1. JIFTに期待する今後の展開
2. 高等研フォーラムの経緯ー
多階層連結コンピューティングに向けて
3. 多階層連結コンピューティングの分野関連携・
ネットワーク型研究教育拠点の形成について
ー次世代スーパーコンピュータ利用に関する提言ー
1) 次世代スパコン利用研究により期待される成果
2) 巨大超並列シミュレーションを行うための人材養成
US/Japan Workshop at GA
on Fast Ignition Modeling, Simulation, and Theory
Sept. 15-16, 2003
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Continuation from the US/Japan JIFT W.S. on High Field Science Organized by
K.Mima, Toshi Tajima, H. Baldis, T. Ditmire, Eric Esary, Mike Downer and so on
for 6 times in Japan and US since 1990
IFS, UT, DPP, UM, GA, 阪大レーザー研、等
トピックス；相対論レーザープラズマ理論、非線形波動、
（Shear flow stabilization vs KHI）with W.Horton
レーザー加速(with Tajima) 、レーザー核融合
研究者派遣；坂上仁志、長友英夫、田口俊弘、砂原淳、千徳靖彦、等
Now , in this time , subjects are more specified on theory, simulation and modeling
related to Fast Ignition.
Mike Key, John DeGroot and so on suggested that both simulation and
experiment should approach to each other for more precise analysis of
experimental results.
Namely, the real laser pulse shape and spatial profile over wide target area should
be included in the simulation. For that , new numerical modeling will be the topics
of this workshop.
100m x 100m x 100m-----3D vs 2D
Discussions on critical issues of integrated
simulation of F.I.
• How LSP(ハイブリッドコード） can reduce the
computation time in integrate simulation of F.I. ?
• How accurate is the LSP( Implicit)?
S. Wilks , DeGroot , Jason Myett , Rod Maison, Y.Sentoku,
ILE group and so on are evaluating LSP.
• Osaka group is developing FI3; Hydro+ F.P.+PIC
• What is the goal of understandings on
Magnetic field generation, Transport modeling, Implosin
modeling ? ; Max Tabak, H. Nagatomo, J. Delettlez,
R.Stephens
Electron heat transport in a cone target and prospects
toward FIREX
Kunioki Mima ; Institute of Laser Engineering, Osaka University
Collaborators;Y.Sentoku,T.Nakamura,T. Johzaki, Y. Kitagawa, R. Kodama, H. Nagatomo, K. A. Tanaka,etal
1) Introduction; integrated experiment
2) Energy coupling of heating pulse , PIC simulation results and CO2 laser results of 1982
3) Laser and electron guiding mechanisms
4) prospects to FIREX and summary
Presentation at 33rd Anomalous Absorption Conference at lake Placid, June26,2003
国際高等研究所フォーラム
「多階層連結コンピューティング」発足の経緯
平成13-18年；大阪科技術センター でのITBL(JAEA)委託事業
「先端科学分野における高性能コンピューティング利用技術調査委員
会」
光量子・プラズマ・流体、物質材料、計算化学、数理情報(PPFMCM)の
大型シミュレーション研究コミュニティーを形成
平成１９年〜；国際高等研究所フォーラム
「多階層連結コンピューティング」でPPFMCMコミュニティー活動継続。
分野間連携と次世代スパコン利用につき意見交換と提言の検討
特に理研神戸センターの研究教育拠点構想(CLOE)
との係わりを議論
参加メンバー；約８０名
顧問；金森順次郎（国際高等研）、寺倉 清之（北陸先端大）
光量子・プラズマ・流体；三間圀興（阪大レーザー）、田島俊樹（原研関西研）、
坂上仁志（核融合研）、福山淳（京大工）、田口俊弘（摂南大工）、里深信行（滋賀県大）
物質材料；吉田博（阪大産研）、赤井 久純（阪大理）、
計算化学；山口兆（阪大理）、榊（京大）、中辻博（量子化学研究協会）
数理情報；島崎真昭（福井大工）、下條 真司（阪大サイバーメディア）
大規模シミュレーションの挑戦；多階層・複雑系
•
ミクロとマクロ過程が連結した過程
（ミクロ過程：分子や荷電粒子の運動ーマクロ過程：流体／構造形成）
例；乱流輸送、磁気リコネクション、衝撃波
生体物質（分子、細胞、生体組織）
•
多相物質間の界面物理
例；プラズマ壁相互作用、レーザーアブレーション 、太陽遷移層、
地殻破壊、PVD、大気海洋結合、
•
複雑組成のダイナミックス
ダイバーター物理、輻射流体力学（重イオン、X線、電子）、
雲の生成・消滅、血球血漿ダイナミクス、生態系、生命体、等
エネルギー科学の多階層問題は３つに集約
何故多階層連結コンミューティングは不可欠か？
次世代コンピューターでどこまで出来るか？
•
問題「ムーアの法則に従ってITが進歩したとして、1cm3の銅の亀裂進展問題を全原子を含
む分子動力学モデルで1sec間積分できる計算機はいつ現れるか？」
参考： Multiscale Mathematics Initiative (DOE 2004)
Time scale
答え 80年後
Macro
Micro
Spatial scale
Simulation modeling for Macro-Micro Interconnected
Phenomena: ”Computational Renormalization”
may be the most critical issue
連結階層シミュレーション
Macro-Micro Interlocked (MMI) Simulation（T.Sato)
地球シミュレーターの発案 after K.Kusano
“多階層連結学”で科学と技術の再統合
サンタフェの挑戦
気象気候学
• 大気力学
環境科学
• 流体力学
工学応用
After K.kusano
宇宙物理学
核融合科学
• 素粒子原子核プラズマ物理学
材料科学
多階層連結コンピューティング
• 固体等物質科学
生命科学
固体地球物理学
高等研多階層連結コンピューティング
次世代スーパーコンピューターの利用
• 生命体統合シミュレーション
分子ー細胞ー生体組織ー人体
• ナノ統合シミュレーション
電子状態ー結晶構造ーデバイス
• エネルギー多階層シミュレーション
原子核・電子・イオン・原子ー複雑流体揺らぎー構造形成ーシステム
IT
生命体(BT)
計算化学
ナノ(NT)
数理情報
光量子・プラズマ・流体
物質材料
エネルギー(ET)
核融合、レーザー加速、原子力、宇宙
気象、エレクトロニクス、スピントロニクス
プラズマ核融合分野の次世代スパコンへの期待
長距離力で相互作用する荷電粒子の多体問題；プラズマ物理
（ランダウ減衰、異常電気抵抗、運動論的乱流、等）
その時々の”スーパーコンピューター”で大規模シミュレーションを先導
•他分野に先駆けたParticle in Cell(PIC) Simulation 、PIC法は、
1955年(Fotran Compiler開発以前）ころより、R.W.Hockney(Stanford Univ.)
等が真空管等の電子ビームのシミュレーションのために開発
1950年末以来、プラズマ協同現象のシミュレーションの長い開拓の歴史
Oscar Buneman (Cambridge) ,C.K.Birdsal, J.M.Dawson, A.Hasegawa,
T.Sato, H.Okuda, T.Kamimura, UC Berkley, PPPL, Univ. Hiroshima, NIFS
２１世紀になりコンピューターの飛躍的進歩
• 磁気閉じ込めプラズマ、レーザープラズマの統合コードの開発を進め、
核融合発電所の丸ごとシミュレーションの実現を目指している。
ー予測可能性に挑戦
シミュレーション科学と核融合科学
シミュレーション科学
天文学
宇宙気象・事象
地球科学
（気象・火山・地震）
生体現象
材料工学
高分子
核融合科学
プラズマ科学
核融合
プラズマ
シミュレーション
高温プラズマ物理学・工学
燃焼プラズマ物理学・工学
高密度プラズマ物理学・工学
定常プラズマ物理学・工学
周辺プラズマ物理学・工学
プラズマ制御物理学・工学
プラズマ加熱物理学・工学
プラズマ計測学・工学
炉工学、炉システム学、放射線工学
超伝導工学、極低温工学
シミュレーション科学を新しい学術の分野として確立することにより核融合炉の
性能予測精度が高まり、安定かつ経済的な核融合炉設計に貢献。
一方で、非線形・非平衡・開放系である核融合プラズマはシミュレーション科学を
発展させるテーマ。 さらに他の分野への貢献。
13
Is computation “essential” or “supplementary”?
ITER：
Pth=0.5GW
JT60/JET/TFTR
tE,exp
10
1
0.1
□ASDEX
○DIII-D
◇JET
○JET-2M
▽PBX-M
○PDX
■AUG
+ C-MOD
▼COMPASS-D
▲JT-60
▲ITER
▲RC-ITER
ITER
▲ Computational
RC-ITER
▲
Adv. ITER
Fusion power Ef ~3GW with
ITER level plasma volume
Efusion ~ Ppressure2
0.01
RMSE=15.0%
0.01
Fusion Power Plant
0.1
τE,scale
1
10
2.5-3 times
higher pressure
高出力レーザープラズマ研究グループはレーザー加速器
やレーザー核融合シミュレーション研究を進めている。
After T.Taguchi
次世代スパコンセンターにおけるCLOEの
在り方
• ３つの役割
（１）ネットワーク型研究拠点
（２）人材養成；連合大学院マネジメント
（３）産学連携情報センター
＠WEB ベースの網羅的シミュレーションソフト
の情報収集と管理
＠実験技術・データ・人材等情報のネットワーク管理
次世代スーパーコンピュータ連携大学院
原研機構
関西光研
核融合科学
研究所
神戸大学
京都大学
大阪大学
京都工繊大
国際高等研
多階層シミュレー
ション連携大学院
摂南大学
兵庫県立大学
登録機関
先端計算科学技術
センター（仮称）
KOBE
Port-Island
ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ科学ｾﾝﾀｰ
産学連携、社会連携
理研
新研究センター
人材育成拠点
CLOE
次世代スパコン
理研管理部門（施設の運転･維持管理等を含む）
国際高等研多階層シミュレーション連携大学院
コミュニティーとしての意見の提出
核燃焼プラズマシミュレーションへのアプローチ
多階層連結シミュレーション
多要素統合シミュレーション
広い空間・時間スケールに
モデル化
炉心プラズマ全体の
またがる現象を記述する
放電時間全体にわたる
第一原理的な
自己完結的な
大規模シミュレーション
初期条件
電磁流体
Y. Kagei et al (JAEA)
運動論的
乱流現象
Y. Idomura et al (JAEA)
時間発展シミュレーション
ITER 建設期の核燃焼プラズマシミュ
核燃焼プラズマ
レーション
ITER
時間・空間スケールの異なる
さまざまな現象からなる自律複合系
1m
ãó
ó£
â¡îM
IC
óAëó
LH
MHD
EC
1mm
óêó¨
1GHz
1MHz
1kHz
JT-60SA
1Hz
éû ä‘
核燃焼プラズマシミュレーションの目的
‣
核燃焼プラズマの予測・解明
‣
ITERの目的達成・性能向上に向けた運転シナリオ最適化
‣
原型炉・実用炉開発に向けたコード戦略
‣
基礎科学としてのチャレンジ
高速ヴァーチャルリアリティシステムの実現
バーチャルLHD
炉構造設計への応用
太陽表面の磁力線
可視化シミュレーション
科学基盤技術開発
心臓の３次元投影
(By Y. Tamura, N. Mizuguchi, A. Kageyama）
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光量子科学研究の展開－放射線利用研究－
光量子利用研究
放射線利用技術の高度化
原子力科学技術
医 療
光核反応による核構造の解明
量子制御による同位体分離
二次汚染のない原子炉解体
がん治療用
小型加速器
生体細胞等の動的挙動
高速・立体観察
高エネルギーX線、
電子、イオン
の促進に貢献
光量子シミュレーション研究
実験研究の先導、解析支援
産業・環境
生命科学
• 原子力利用の新たな領域の開拓
• 科学技術分野の発展、産業活動
ナノテクノロジー
非熱精密加工
有害物質の検出・分解
レーザー/物質相互作用におけ
る極短時間微視的現象の解明
極短パルス高強度
レーザー光
先進的レーザー開発
光量子超並列計算機
光量子基盤技術研究
完全コヒーレント
Ｘ線レーザー
ペタワット級
超短パルスレーザー
高効率・高出力
自由電子レーザー
レーザー結晶、X線光学素子