「富岳」を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーションに成功―2021年ゴードン・ベル賞ファイナリストに選出―

【概要】

 筑波大学計算科学研究センターの吉川耕司 講師らの研究チームは,ブラソフシミュレーションと呼ばれる全く新しい手法を世界で初めて採用し,理化学研究所のスーパーコンピュータ「富岳」注1の全システムを用いて宇宙大規模構造におけるニュートリノの運動に関する大規模数値シミュレーションを実行することに成功しました.ブラソフシミュレーションは,従来の計算手法(重力多体 [N体] シミュレーション)に比べて,ノイズのない数値シミュレーションを実行することが可能ですが,計算量や必要なメモリ容量がかなり大きくなることが問題でした.本研究では,革新的な計算アルゴリズムと「富岳」に最適化したコーディング手法と並列化手法を用いて,90%を超える並列化効率を達成し,さらに,富岳の全システムを用いた数値シミュレーションによって,計算領域を約400兆個ものメッシュに分割した世界最大のブラソフシミュレーションを実施することに成功しました.これにより,N体シミュレーションによる過去最大規模のニュートリノの数値シミュレーションと同等規模の数値シミュレーションに要する時間を約10分の1に短縮することができました.
 なお,本研究論文は,スーパーコンピュータを用いた科学・技術分野の研究の中で,その年に最も顕著な成果を上げた研究グループに与えられる米国計算機学会のゴードン・ベル賞注2の最終候補(ファイナリスト)に選出されました.ゴードン・ベル賞の最終発表は米国ミズーリ州セントルイスのアメリカズセンター及びオンラインで開催される国際会議において,現地時間11月18日12時30分より行われます.
 また,本研究では「富岳」に加えて,国立天文台のスーパーコンピュータ「アテルイ」が用いられ,コード開発に貢献しました.

 本研究の詳細は,筑波大学計算科学研究センター プレスリリース「『富岳』を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーションに成功―2021年ゴードン・ベル賞ファイナリストに選出―」をご覧ください.

(2021年10月29日 掲載)




図:本研究の数値シミュレーションで得られた宇宙大規模構造におけるダークマター(CDM,上段)とニュートリノ(下段)の空間分布.スーパーコンピュータ「富岳」のほぼ全システムを用いて,それぞれ約3000億個の粒子と約400兆個のメッシュでダークマターとニュートリノの運動を計算した.h-1Mpc は長さの単位で1 h-1Mpcは約466万光年.(クレジット:Yoshikawa et al., 2021)

【この研究でのアテルイの役割】

 本研究では,スーパーコンピュータ「富岳」に加え,国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイ」が利用され,本研究で使用された計算コードの開発が行われました.
 本研究を行った筑波大学の吉川耕司氏は「ブラソフシミュレーションという,誰も試したことが無く何のノウハウもない新しい数値計算手法の開発・テスト計算・最適化を,CPU時間を気にせずに好きなだけ行うことができました.成果がでるまでに時間がかかりましたが,その間もずっと使うことができ助かりました.また,アテルイやアテルイⅡのようなx86系のCPUだけで構成されたスパコンは最近では少数派ですが,新規に0からコードを開発する立場で言うとシンプルで使いやすい貴重な存在でした」とアテルイの利点を述べています.

 アテルイは,2013年4月から2018年3月まで岩手県奥州市にある国立天文台水沢キャンパスに設置されていた天文学専用スーパーコンピュータです.理論演算性能1.058 Pflopsは天文学専用機としては当時世界最速を誇りました.平安時代に活躍した水沢の英雄アテルイにあやかり命名され,「勇猛果敢に宇宙の謎に挑んで欲しい」という願いが込められています.


画像:天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイ」(クレジット:国立天文台)

【論文】

タイトル:"A 400 Trillion-Grid Vlasov Simulation on Fugaku Supercomputer: Large-Scale Distribution of Cosmic Relic Neutrinos in a Six-dimensional Phase Space"
著者:Kohji Yoshikawa, Satoshi Tanaka, Naoki Yoshida
掲載誌:SC ’21: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis
DOI:10.1145/3458817.3487401

【用語紹介】

注1)スーパーコンピュータ「富岳」:スーパーコンピュータ「京」の後継機として理化学研究所に設置された大型計算機.2020年6月から2021年6月にかけてスパコンランキング4部門で1位を3期連続で獲得するなど,世界トップの性能を持つ.2021年3月 9日に本格運用が開始された.
注2)ゴードン・ベル賞:ゴードン・ベル賞(ACM Gordon-Bell Prize)は,米国の計算機工学者として著名なゴードン・ベル(Gordon Bell)氏が1987年に並列計算機技術開発を促進するために創設した.毎年11月に開催される高性能計算技術に関する国際会議SCで,大規模並列シミュレーションの科学・技術分野への応用で最も優れた成果を上げた論文に授与される.

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