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CfCAについて

 プロジェクトの概要 

国立天文台天文シミュレーションプロジェクトは平成18年4月に共同利用のためのスーパーコンピュータの運用とそのために必要な研究開発に責任を持つ組織として発足しました。その前身は天文学データ解析計算センターの大規模シミュレーション運用チームです。本プロジェクトの組織としての目標は以下の通りです。

  1. 超大型のスーパーコンピュータや重力多体問題専用計算機および中小規模のPCクラスタなどから構成される計算機システムを定常的に共同利用運用し、国内外の利用者による数値シミュレーション研究を支援する。
  2. 国立天文台が進めている各種のプロジェクトや全国の研究者との連携を取りつつ、世界の天文学中核研究拠点のひとつとしての活動を推進する。
  3. 世界的に見ても独特かつ第一線の計算宇宙物理科学の拠点として、世界トップクラスの研究成果を挙げる。
  4. 上記の目的を達成するための各種ハードウェア・ソフトウェアの開発研究を推進する。
  5. 最新の天文学の成果を反映させた4次元デジタル宇宙コンテンツを継続的に研究開発し、データの総合化精密化を行い、学術の成果の社会への還元および天文学研究推進に供する (4次元デジタル宇宙プロジェクト)

本プロジェクトが運用する現在の主力計算機システムは、スカラ超並列計算機Cray XC30 (理論ピーク性能約 502 Tflops)、および重力多体問題専用計算機GRAPE、小規模シミュレーションを実行するための計算サーバ、解析・可視化用の解析サーバ、大規模データストレージのファイルサーバなどです。


 研究紹介 


惑星系の形成

惑星形成シミュレーション 地球をはじめとする太陽系の惑星の起源は天体物理学の重要問題の1つです。特に近年は、太陽系とは様相の異なる系外惑星系が次々と発見され、多様な惑星系の起源を統一的に理解することが大きな課題となっています。
現在の標準的な惑星系の形成シナリオでは、惑星系は「原始惑星系円盤」とよばれるガスとダストからなる恒星周りの円盤から形成されると考えられています。円盤からの惑星形成は、(1) ダストからの微惑星形成、(2) 微惑星からの原始惑星形成、(3) 原始惑星からの惑星形成、の3段階で進みます。
ダスト、微惑星、原始惑星などの粒子系は「重力多体系」で、このような系の進化を調べるには多体シミュレーションが強力な武器となります。CfCAが運用している重力多体問題専用計算機GRAPEは多体シミュレーションでもっとも計算量が多い粒子間の重力相互作用を高速で計算するハードウェアパイプラインです。現在、CfCAでは様々な惑星系における形成の各段階の多体シミュレーションが行われています。

図の説明: GRAPEによる惑星形成のシミュレーション (4D2U提供) 。中心の明るい星が太陽で、白い線は原始惑星の軌道を表している。


星の誕生と磁場

星はガスの中で誕生します。ガスの中には周辺より少し密度が濃く、重力が強い場所があり、周りのガスを引き寄せます。すると密度がさらに濃くなり、ますますガスを引き寄せて、やがて星が誕生します。しかし、単純にこのように星が誕生しているとすると、ガスから星が誕生しすぎてしまうことが分かっています。そのため、何か星の誕生を妨げている物があるはずだと考えられています。その候補がガスの中にある「磁場」です。磁場はガスの中を流れる「電流」によって作られています。
一方で、強い磁場があり続けると、星は誕生できません。しかし、ガスの中を流れる電流には「電気抵抗」が生じ、電気抵抗が生じると電流が熱に変わり、電流は弱くなります。その結果磁場も弱くなり、ようやく星が誕生するのです。
磁場を持つガスから星が誕生するまでには長い時間がかかり、その過程を再現するためのシミュレーションにも時間もかかります。CfCAのスーパーコンピュータを用いた結果、ガスが磁場に妨げられながら長い時間をかけてゆっくりと集まってくる様子を計算により再現できるようになってきました。

図の説明: 強い磁場があるガスの中で星が誕生する様子をスーパーコンピュターによる計算で再現した結果。NECのスーパーコンピュタSX-9を用いて、磁場とガスが満たす磁気流体力学の方程式を解いた。図の青い線が磁場の方向(磁力線)を表す。赤い色の濃い部分の中心で星が誕生している(工藤哲洋氏 提供)。


ブラックホール

ブラックホールは光さえ脱出できない暗黒天体として知られていますが、実際は宇宙で最も明るくパワフルな天体の一つです。ブラックホールの周囲に明るく輝くガス円盤が形成され、そこから超高速なジェットが噴出すると考えられているのです。ガス円盤およびジェットの構造やメカニズムを解明するには、従来から行われていた流体力学計算だけでは不十分で、磁場構造や輻射輸送も同時に解かなければなりません。
CfCAでは、スーパーコンピュータを用いて輻射磁気流体力学シミュレーションを実行し、ブラックホール周囲で起こる現象の解明に迫っています。


図の説明: 輻射流体シミュレーションで解明したブラックホール周囲のガス円盤(茶)およびジェット(緑)。ブラックホールはガス円盤に埋もれており、らせん状の白線は磁力線構造を示す。計算にはCfCAのXT4で約2週間を要した(大須賀健氏 提供)。


超新星爆発

大質量の星はその一生の最期に大爆発を起こすと考えられており、この爆発は「超新星爆発」と呼ばれています。超新星爆発は宇宙空間に元素を供給するという重要な役割をもっていますが、その爆発がどのようなメカニズムで起きるのかは解明されていません。
CfCAでは超新星爆発のメカニズムを解明するため、スーパーコンピュータを用いて、超新星爆発の高解像度シミュレーションを行っています。これまでは1次元球対称や、2次元軸対称のように空間の自由度を制限しなければシミュレーションができませんでしたが、CfCAのスーパーコンピュータを使うことで、3次元空間における現実的なシミュレーションが可能になってきています。


図の説明: 超新星爆発の3次元シミュレーション。流体力学とニュートリノの輻射輸送を同時に解いており、爆発の瞬間0.02秒間をシミュレーションするのにCfCAのスーパーコンピュータXC30で約1日を要した(滝脇知也氏 提供)。


高エネルギー天体におけるフレア現象

図の説明: 「フレア」のシミュレーション。中心で磁力線の繋ぎかわりが起きており、エネルギーが解放されて、左右にビーム状の光が照射されている。CfCAのスーパーコンピュータXT4を用いて約100時間程度を要した(高橋博之氏 提供)。

ブラックホール降着円盤などの高エネルギー天体からは時々、「フレア」と呼ばれる爆発現象が観測されています。しかしこのフレアがどのようにして起こるのかは現在でもわかっていません。フレアの起源を探るためにはガス(プラズマ)や磁場、光など様々な物理を考慮する必要があるため、解析的に研究をすることは非常に困難です。
CfCAではこの爆発機構を解明するためにスーパーコンピュータを用いた研究が行われています。スーパーコンピュータを用いることで、ガス、磁場、光の様々な物理を考慮し、現実的なシミュレーションを行うことが可能となりました。



 4D2Uプロジェクト 

国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクト(4D2Uプロジェクト)は、最先端のコンピュータで描き出した宇宙の構造の進化を可視化するとともに、膨大な観測データを利用して、専門の研究者から一般の方まであらゆる人に現在の宇宙の姿を目の当たりにしていただくことを目指しています。


図の説明: 4D2Uドームシアター内部.投影しているのは4次元デジタル宇宙ビューワー "Mitaka"(ミタカ).



 計算機紹介 

Cray XC30 システム「アテルイ」

平成25年4月1日から,水沢VLBI観測所で稼働および共同利用をおこなっているスーパーコンピュータ Cray XC30「アテルイ」.アテルイはスカラ型並列計算機に分類されるスーパーコンピュータで,CfCAが運用するスーパーコンピュータとしては第4世代にあたります.理論演算性能502 Tflopsで運用開始したアテルイは,平成26年9月にアップグレードによって2倍の1.058 Pflopfの演算性能をもつシステムとなりました(2014年11月13日プレスリリース).演算に用いられる全コア数は25,440コア,システム全体で135.6 TBの主記憶容量をもちます.また,数値シミュレーションのデータを格納するために820TBのハードディスクが搭載されています.

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GRAPE

photo of GRAPE-DR GRAPE (GRAvity PipE)は重力多体問題に特化した専用計算機です。重力多体問題でもっとも計算量が大きい粒子間の重力相互作用を高速に計算することができます。
現在、天文シミュレーションプロジェクトではGRAPE-DRとGRAPE-9を運用しています。
GRAPE-DRクラスタ

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計算サーバ

a photo of PC cluster 本プロジェクトが運用する共同利用計算機システムの利用者は、他の施設では実行不可能である超大規模な数値シミュレーションを実行出来るという権利を亨受できます。けれども現在は超大型の並列計算を実行している利用者も、最初は小規模な計算から出発したはずです。また、最先端の数値シミュレーションの中には XC30 のような大型の並列スーパーコンピュータにも GRAPE のような専用計算機にも馴染まない、本然的に小規模・非並列型ではあるが長時間を要するものが幾つも存在することも確かです。本プロジェクトが超大型シミュレーション利用者の研究活動を阻害せずにこのような小規模数値計算利用者の研究活動を支援して行くためには、小規模な数値計算を多数同時に走らせることが出来る計算機群を共同利用設備として運用する必要があります。
こうした事情を受け、本プロジェクトでは「計算サーバ」と呼ばれるPCクラスタを共同利用に供しています。このシステムは平成20年1月まで稼働していた Opteron 250 群「一般共同利用計算サーバ」の後継に位置されるものであり、前記したような将来の超大規模シミュレーション利用者の入門的計算や、重力少体問題の数値積分を始めとする非並列ではあるが長い計算時間を要する数値シミュレーションの実施プラットホームとして利用されています。世界の HPC (high-performance computing) の流れが超大型のスーパーコンピュータからこのシステムと同様な機材を用いた廉価なPCクラスタに移行しようとする現在、計算サーバは利用者のみならず本プロジェクト自身にとって次世代の数値シミュレーションシステムを検討するための試金石としての利用価値を有するでしょう。
計算サーバ (クリックで拡大します)

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解析サーバ・ファイルサーバ

解析サーバ・ファイルサーバ 解析サーバは上記、共同利用計算機群で計算されたシミュレーションデータを解析・可視化するためのサーバ群です。各解析サーバはそれぞれ多数の演算コア、大容量のメインメモリと各種解析・可視化ソフトウェアがインストールされており、CfCAの共同利用計算機のアカウントを持つ全てのユーザーが使用することができます。
ファイルサーバは数十台のラックマウントサーバにより構成された大規模データストレージシステムです。各ファイルサーバにはRAID6で冗長化された3つの40TBのボリュームが存在し、各ボリュームはNFSファイル共有により10GbEの高速ネットワークを介して解析サーバに接続されています。
解析サーバとファイルサーバ

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公式マスコットキャラクター

アテルイくんとダルマくん

アテルイくんとダルマくん 天文シミュレーションプロジェクトのマスコットキャラクターです.ウェブや広報物に登場し,CfCAのシステムを使って得られた研究成果やCfCAの活動を,やさしく,わかりやすく伝えます.

アテルイくん(下):アメリカ生まれの天文学の数値計算を得意とするスーパーコンピュータ.岩手県にある国立天文台水沢キャンパスで宇宙の謎を解くべく,日夜休まずに計算し続けています.人間の言葉は喋ることができません.

ダルマくん(上):東京の国立天文台三鷹キャンパスの近くのお寺出身のダルマ.アテルイくんが計算を続けられるように,いつもそばで見守っています.アテルイくんの言葉を通訳して皆に伝えます.


平成25年3月に運用を終えた計算機システム

Cray XT4 システム

photo of Cray XT4 スカラ超並列計算機Cray XT4システムは、理論ピーク性能が約 27 Tflops で平成20年4月から運用が開始されたシステムであり、平成25年3月まで国内外の多くの研究者によって利用されてきました。計算ノードは 740ノード(2960 cores)で主記憶総容量は約 5.8TB です。計算ノード以外にもユーザのためのファイルシステムやプログラミング環境が用意され、主にMPI(Message Passing Interface)により並列化されたプログラムを使用することで、非常に大規模な並列計算の実行に用いられました。
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Cray XT4 システムの外観 (クリックで拡大します)

NEC SX-9 システム

photo of NEC SX-9 ベクトル型計算機 NEC SX-9 システムは、理論ピーク性能が約 1.6Tflops (単一コアあたり102.4 Gflops)、主記憶総量 1TB で Cray XT4 システムと同様、平成20年4月から平成25年3月まで一般共同利用機器として運用されたシステムです。この SX-9 では、CfCAの第2世代スーパーコンピュータ富士通 VPP5000 で開発されたプログラム資源を容易に利用することが可能でした。
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NEC SX-9 システムの外観 (クリックで拡大します)



 運用メンバー (平成29年5月1日現在) 

名前 身分 E-mail 専門分野
小久保 英一郎 (プロジェクト長) 教授 kokubo [at] th [dot] nao [dot] ac [dot] jp 惑星系形成論, シミュレーション天文学
富阪 幸治 教授 (併任) tomisaka [at] th [dot] nao [dot] ac [dot] jp シミュレーション天文学、星間物質の構造と進化
石川利昭 研究技師 (併任) t [dot] ishikawa [at] nao [dot] ac [dot] jp ネットワーク運用
大須賀 健 助教 ohsuga [at] cfca [dot] jp ブラックホール宇宙物理
田中 雅臣 助教 (併任) masaomi [dot] tanaka [at] nao [dot] ac [dot] jp 多波長天文学、超新星爆発
滝脇 知也 助教 (併任) takiwaki [at] cfca [dot] jp 高エネルギー天体物理
伊藤 孝士 助教 ito [dot] t [at] nao [dot] ac [dot] jp 計算機共同利用、太陽系力学
押野 翔一 特任専門員 oshino [at] cfca [dot] jp 惑星形成
脇田 茂 専門研究職員 shigeru [at] cfca [dot] jp 微惑星(小惑星)の熱進化
朝比奈 雄太 研究員 asahina [dot] yuta [at] nao [dot] ac [dot] jp ジェット、星間現象
大谷 友香理 研究員 yukari [dot] ohtani [at] nao [dot] ac [dot] jp 超新星爆発、新星爆発
瀧 哲朗 研究支援員 tetsuo [dot] taki [at] nao [dot] ac [dot] jp 微惑星形成
押上 祥子 研究支援員 oshigami [dot] shoko [at] nao [dot] ac [dot] jp 惑星地質学、地質リモートセンシング
石川 将吾 研究支援員 shogo [dot] ishikawa [at] nao [dot] ac [dot] jp 観測的宇宙論
木村 優子 事務支援員 kimura [dot] yuko [at] nao [dot] ac [dot] jp プロジェクト秘書業務

歴代プロジェクト長

平成24年4月1日 - 現在 小久保英一郎
平成23年4月1日 - 平成24年3月31日  小久保英一郎 (事務取扱)
平成18年6月1日 - 平成23年3月31日  牧野淳一郎
平成18年4月1日 - 平成18年5月31日  富阪幸治 (事務取扱)

集合写真 (平成29年4月6日)

group photo

プロジェクト発足時メンバー