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平成26年度
「コンピュータ理工学のすすめ」
Computational Modeling
先端情報科学研究センター
寺坂　晴夫
2014/5/7
1
Computer Science
(1) Computer Fundamentals
(2) Computational Modeling
９つのトラック
Computer Systems
(3) Computer
Computer　System Design
(4) VLSI Design
Computer Network Systems
Systems
(5) Computer Network
Applied Information
Technologies
(6) Biomedical Information
Technologies
(7) Robotics & Control
(8) Virtual Reality & Human Interface
Software Engineering
2014/5/7
(9) Software Engineering
2
Computational Modeling
→ Numerical Simulation
High Performance Computing
数値シミュレーションとは？
計算機の中で、現象を
・再現し、観察し、理解する　（数値実験）
・得られた知見を利用して、
新しい理論を構築する
新しい技術を開発し、応用する
最適化を図る
未来や未知の状況を予測する
HPCとは？
スパコンなどの高性能計算機を利用すること（利用技術）
スパコンなどを用いて先端的数値シミュレーションを行うこと
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銀河形成シミュレーション
国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクトより
シミュレーションによ
り、矮小銀河の質量
変化を証明
（2004年シカゴ大）
モデル：Standard Cold Dark Matter Model
計算モデル：重力計算(TREE-GRAPE法)、ガス相互作用(SPH法)、放射冷却
粒子数：ダークマター 1×106, バリオン 1×106
スケール：時間～135億年 、空間～30万光年
2014/5/7
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数値シミュレーション
３つの科学的アプローチ
理論的アプローチ
実験的アプローチ
数値シミュレーション
特徴
時空間的制約がない
定量的な情報が得られる
MEXT SC WG Doc. No.4
Appril, 2004
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速い・安い・安全
計算負荷が大きい
→
→大規模計算になりがち
スパコンが必要
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MEXT科学技術基本計画
第3期計画'06-10' FY
「次世代スパコンとHPCは、日本の 最重要技術」
京コンピュータ
(2012稼動
(2012稼動)
稼動)
20Peta Flops
(実効
実効1
実効 P Flops)
Pen4 3GHz
約6Giga Flops
(実効4-700M Flops)
３００万倍以上
速い!!
速い
PCで１万年かかる
で１万年かかる
計算が１日強でできる
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6
MEXT次世代スーパーコンピュータ
MEXT次世代スーパーコンピュータ
2012年稼動）
京コンピュータ　神戸市
京コンピュータ　神戸市（2012年稼動）
SPARC64™
SPARC64™VIIIfx（８コア）
VIIIfx（８コア）
128GFlops
8万個以上を並列化
2014/5/7
7
Super Computer Network
BoxCluster + SuperMicro + Primergy
大
阪
大
SX/9
SX/9
海洋
機構
ES
会津
大
東
北
大
SX/9
地球シミュレータ
2014/5/7
Earth Simullator
自然現象
社会現象 その他の現象
計算モデル
観測データ
新知見
計算結果（データ）
新知見
分析　可視化
データマイニング
法則
理論
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法則
考察・モデリング
基礎（支配）方程式
物理モデル
その他（仮説etc.)
予測
工学的応用
その他
シミ ュ レ ーショ ン
実験
計算
観察・観測
可視化
データ
マイニング
最適化
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なにができるか？
何でもできる（原理的に出来ない物はない）
・自然、日常的現象の再現、解明
・非自然、非日常的現象の再現、解明
特に有効な応用分野
・頭の中では処理しきれないほど複雑な現象の解明
・実験できないものの（数値）実験
極大・極小スケールの現象、危険な現象、高コストの現象など
・仮説の検定
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具体的には？
自然現象の解明・予測
・銀河の形成・衝突　・気候変動予測（地球温暖化など）
・災害予測（地震・津波・台風など）
・火災・大規模事故（大気拡散、海洋汚染など）
ものつくり
・創薬・新材料開発
・CAE（宇宙船、超音速ジェット、自動車、船舶、その他）
・疲労・破壊・寿命予測
医療
・生命科学（タンパク質、細胞、血管、臓器、人体）
・オーダメイド医療、予防医療
エンターテイメント
・映画・ゲームの物理的アニメーションなど
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数値シミュレーションの例
M6 wing
HIVプロテアーゼ
HIVプロテアーゼ
（増殖に必須の酵素）
HIVウイルスと抗
HIVウイルスと抗HIV
ウイルスと抗HIV製剤分子との
HIV製剤分子との
相互作用解析
High-K
材料
Mach contour
Al
Hf
O
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F16
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気象のシミュレーション
Simulation of Jan 13 2003
Lake Effect Snowstorm
五大湖域における筋状雲
（防災研・トロント大学）
CReSSによる計算
CReSS
CReSS
2014/5/7
衛星画像
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気象のシミュレーション
集中豪雨のHindcast
集中豪雨のHindcast実験（
Hindcast実験（CReSS)
実験（CReSS)
8月29日午前3時
8月29日午前6時
左：降水量の観測値
観測値（mm/hr）　中：解像度
解像度1kmのシミュレーション　右：気象庁
気象庁5kmのシミュレーション
観測値
解像度
気象庁
気象のシミュレーション
福島県域の定期的高解像度気象予測
（WRF
（WRF 48時間予測
48時間予測）
時間予測）
気象のシミュレーション
I-131の拡散予測例
I-131の拡散予測例
3月13日より
13日より16
日より16日までに沈着した
16日までに沈着した
積算値の分布を表す。
3月12日より
12日より24
日より24日までに沈着した
24日までに沈着した
積算値の分布を表す。
粗メッシュによる計算
保安院(SPEEDIによる予測)
高速並列計算機導入(2014/03)
(約5TFlops)
降水量
日射量
猪苗代湖の吹送流解析
Numerical Analysis for Local Wind Current
in Lake Inawashiro-ko
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猪苗代湖の吹送流シミュレーション
小石浜水門
[1]
長瀬川河口
(A)
[2]
(B)
(C)
北西の風
水深５ｍ
1.4
m/s
2014/5/7
[3]
20
猪苗代湖の吹送流シミュレーション
pH分布の予測
pH分布の予測
7.1
6.5
西風
5.4
6.5
5.4
pHの観測分布
(2008年10月)
pHの予測分布
SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法
による流体解析
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ミルククラウン現象（１）
23
ミルククラウン現象（２）
津波のシミュレーション
原子力施設への津波解析
東大発ベンチャー企業
プロメテックソフトウェア株
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エンターテイメントに応用
物理的アニメーション　（東大発ベンチャー企業プロメテックソフトウェア株）
東大発ベンチャー企業プロメテックソフトウェア株）
物理的アニメーション　（
2014/5/7
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何を学べばよいか？
数値シミュレーション＆HPC
現象の観察と考察
規則・法則の発見
モデリング（数学、物理、化学など）
数学モデルの離散化と解法
数学（微積
数学（微積、
微積、線形代数など）　線形代数など）　計算力学、計算物理 アルゴリズム
アルゴリズム、
アルゴリズム、数値解析
計算
コンピュータリテラシー
コンピュータリテラシー
プログラミング
プログラム最適化
ベクトル処理、並列処理
ベクトル処理、並列処理
計算結果の分析・評価
データハンドリング
可視化処理（アニメーションを含む）
可視化処理（アニメーションを含む）
データマイニング
2014/5/7
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