CfCAについて

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。

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。

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)。

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)。

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)。

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）．

• 理論演算性能：1.989 ペタフロップス
• ノード数：288（システムM 208, システムP 80）
• 総コア数：32,256コア
• 主記憶容量：67.6 TB（1ノードあたり システムM 128GB, システムP 512GB）
• CPU：システムM Intel Xeon CPU Max 9480, システムP Intel Xeon Platinum 8480+

CfCAは、天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ（ツー）」に替わる新たなスーパーコンピュータとして、HPE Cray XD2000システムを導入し、2024年12月2日より国立天文台 水沢キャンパス（岩手県奥州市水沢）にて運用を開始しました。この新システムの愛称は、前システムを引き継ぎ「アテルイⅢ（スリー）」と名付けられました。
アテルイⅢは、1.99 ペタフロップスの総理論演算性能を有し、メモリバンド幅を重視した「システムM」（1ノードあたり 3.2 TB/s、アテルイⅡの 12.5 倍）と、メモリ量を重視した「システムP」（1 ノードあたり 512 GB，アテルイⅡの1.3 倍）で構成されています。得意とする計算が異なる2種類のシステムを用いて運用することで、多様なシミュレーションにおいてアテルイⅡよりも計算速度の向上が見込まれ、さまざまな天体現象を検証するための「理論天文学の実験室」としてのさらなる活躍が期待されます。

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• ノード数：Ryzen系106ノード + EPYC系13ノード
• 総コア数：Ryzen系2,176コア + EPYC系656コア
• CPU：AMD Ryzen7, 9及びAMD Epycの各種CPU

CfCAが支援する数値シミュレーション天文学研究には様々なものがあります。その中には、アテルイⅡのような大型並列スーパーコンピュータやGPUのような加速器型計算機には馴染まないものがあります。例えば、惑星の軌道進化のような、規模は小さいけれども長い時間を要する計算などです。計算サーバはこのような小規模の数値シミュレーションによる研究を支援する機材で、アテルイⅡやGPUと使い分けることで幅広い研究に対応できるようになっています。また、将来的にアテルイⅡなどで大型の並列シミュレーションを行うユーザが、その準備段階に計算サーバを使うこともあります。

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GPUクラスタ

• ノード数：6ノード
• 総GPU数：32 (NVIDIA A100)

GPU（Graphics Processing Unit）は本来、画像を表示するための処理を高速に行う装置です。CPUのコアが最大で100個ほどで、汎用で複雑な処理を行う機能を有しているのに対して、GPUのコアは単純な処理しか行えないかわりにその数が10,000個を超えることがあります。そのような特徴から単純だが同種の大量の計算を繰り返し行う必要がある種類の科学技術計算でも活用することができます。たとえば機械学習用途での行列計算ではGPU 1個でCPUの数百倍の処理が可能なこともあります。CfCAが運用するGPUクラスタは、重力多体計算や流体シミュレーション、機械学習などに 幅広く活用されています。

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解析サーバ

• ノード数 ：6ノード
• コア数：1ノードあたり36 コア
• 主記憶容量：1ノードあたり1 TB

シミュレーションによって出力される結果は数値の羅列であり、そのままでは計算結果を解釈するのは困難です。計算結果を解析・可視化することで、はじめてその意味を理解することが可能になります。解析サーバは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 が使用できます。

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ファイルサーバ

• 総データ容量：約8 PB

ファイルサーバシステムは数値シミュレーションで出力されたデータを保管するサーバ群で、全体で約2,000本のハードディスクドライブで構成されています。CfCAのその他の計算機群とは10 Gbpsから100 Gbpsの高速なネットワークで接続されていて、計算機からのデータ移動を容易に行うことができます。ユーザは計算結果から論文を書くまで数ヶ月から数年の間、ファイルサーバにデータを保管することができ、このシステムにアクセスすることで、世界中どこにいても研究を継続することが可能です。また複数の研究者で同じデータを解析する場合にも便利です。

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アテルイⅢくん
2024年の末に誕生し，先代のアテルイⅡくんからCfCAの公式マスコットキャラクターをバトンタッチされました．岩手県にある国立天文台水沢キャンパスで，宇宙の謎を解明すべく，日夜天文学のシミュレーションを行っています．先代同様，人間の言葉を話すことはできません．アテルイⅢくんの目は左右で色が異なっており，アテルイⅢくんの中身が2つの異なるシステムで構成されていることを表しています．

ダルマくん（3代目）
アテルイⅢくんとともに，先代のダルマくんからマスコットキャラクターを引き継ぎました．東京の国立天文台三鷹キャンパス近くのお寺出身．背中には「安定稼働」の文字が記されています．アテルイⅢ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Ⅲくんの言葉を通訳することができます．

計算サーバちゃん
国立天文台三鷹キャンパスのCfCA計算機室で，天文学の計算を行う計算機たち．アテルイⅡくんよりも規模の小さい計算が得意です．姉妹がたくさんいるのですが，時々増えたり減ったりしています．

• 理論演算性能：3.087 ペタフロップス
• ノード数：1005ノード
• 総コア数：40,200コア
• 主記憶容量：385.9 TB （1ノードあたり 384 GB）
• CPU：Intel Xeon Skylake 6148

大規模スカラ型並列計算機 Cray XC50「アテルイⅡ」は、シミュレーション天文学専用のスーパーコンピュータです。岩手県奥州市にある国立天文台水沢キャンパスで2018年6月から稼働しており、約3ペタフロップスの理論演算性能は、天文学専用としては世界最速を誇ります。今から約1200年前に水沢地域を治め、朝廷の軍事遠征と戦っていた蝦夷の長「阿弖流為（アテルイ）」からその名を借り、勇猛果敢に宇宙の謎に挑んでほしいという願いを込めて名付けられました。アテルイⅡはその計算能力を活かし、重力多体計算による宇宙の大規模構造の進化や、天の川銀河の形成、ブラックホールを取り巻くガス円盤の運動、惑星系を育む原始惑星系円盤の進化など、様々なシミュレーションを行っています。

Cray XC50「アテルイⅡ」専用ページへ移動

GRAPE（GRAvity PipE） は重力多体問題専用の計算加速器です。重力多体シミュレーションにおいて最も時間のかかる重力相互作用の計算を専用のハードウェアであるGRAPEで加速し、それ以外の軌道計算等はCPUで行います。GRAPEは価格あたりの性能が同世代のCPUのみの計算機に対して100倍程度と非常に優れており、国内外で使われました。 計算に必要な精度の違いから無衝突系(多くの天体が作る平均的な重力場が支配的な系)の計算と衝突系(平均的な重力場に加えて個々の天体同士の接近遭遇が強く作用する系)の計算では機種が異なり、CfCAでは2006年度から2021年度末にかけて無衝突系用としてGRAPE-5、GRAPE-7、GRAPE-9が、衝突系用としてGRAPE-6、GRAPE-DRが運用されていました。無衝突系では渦巻銀河の形成や土星のリングのプロペラ構造の形成メカニズムの解明、衝突系では巨大衝突による地球の月形成シミュレーションなど、さまざまな研究が行われました。

平成25年4月1日から水沢VLBI観測所で稼働開始したスーパーコンピュータCray XC30には「アテルイ」という別称が与えられました．初期の理論演算性能502 Tflopsでしたが、平成26年9月にCPUの更新が行われて1.058 Pflopfの演算性能を持つに至りました（平成26年11月13日のプレスリリース）．演算に用いられる全コア数は25,440コアあり，システム全体で135.6 TBの主記憶容量を持っていました．また，数値シミュレーションのデータを格納するために820 TBのストレージが搭載されていました．

Cray XC30「アテルイ」専用ページへ移動

スカラ超並列計算機Cray XT4は平成20年4月から平成25年3月まで運用され、国内外の多くの研究者によって利用されました。理論ピーク性能約 27 Tflops であり、計算ノードは 740ノード (2960 cores), 主記憶総容量は約 5.8TB でした。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により並列化されたプログラムを使用することで大規模な並列計算の実行が可能でした。

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NEC SX-9はベクトル型計算機であり、その理論ピーク性能は約 1.6Tflops (単一コアあたり102．4 Gflops)、主記憶総量は 1TB であり、Cray XT4と同様に平成20年4月から平成25年3月まで運用されたシステムです。SX-9 ではそれ以前に運用されていた富士通 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。それまでのベクトル計算機の時代から新しいスカラ多並列計算機の時代への橋渡しとなった機材です。

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アテルイⅡくん
2018年に誕生し，先代のアテルイくんからCfCAの公式マスコットキャラクターをバトンタッチされました．岩手県にある国立天文台水沢キャンパスで，宇宙の謎を解明すべく，日夜天文学のシミュレーションを行っています．先代同様，人間の言葉を話すことはできません．縞々の筐体が特徴的で，先代の3倍早く計算を行うことができます．

ダルマくん（2代目）
アテルイⅡくんとともに，2018年に先代のダルマくんからマスコットキャラクターを引き継ぎました．東京の国立天文台三鷹キャンパス近くのお寺出身．背中には「安定稼働」の文字が記されています．アテルイⅡ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Ⅱくんの言葉を通訳することができます．

アテルイくんとダルマくん（初代）
2013年から2018年の5年間，天文シミュレーションプロジェクトの初代マスコットキャラクターとして活躍しました．今はその役目をアテルイⅡくんとダルマくん（2代目）に引き継いでいます．ダルマくんの背中には「安定運用」の文字が書かれていました．2018年に役目を終え，アテルイくんは生まれ故郷のアメリカへ，ダルマくんは国立天文台三鷹近くのお寺へ帰りました．