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SS研HPCフォーラム2017 分科会レポート
計算科学の新たな可能性

執筆:鳥生 大祐 (京都大学)

はじめに

2017年8月30日,汐留シティセンター24階大会議室にて,「計算科学の新たな可能性」と題してSS研HPCフォーラム2017が開催された.本フォーラムでは,大規模並列計算に向けたGPUやメニーコアなどの利用技術,社会シミュレーション分野におけるHPCの適用事例,およびポスト「京」開発の取り組みについて,講演3件と4名のパネリストを迎えたパネルディスカッションが行われた.参加者は124名であり,全体を通して白熱した議論が繰り広げられ,開会挨拶において松尾裕一会長(JAXA)が触れたHPCと社会のつながりについて今一度よく考えることができるフォーラムであった.


『ドメイン特化による高性能・高生産性プログラミング』
  丸山 直也(理化学研究所)

 最初に,理化学研究所の丸山直也氏によるアクセラレータ環境における高性能・高生産性を実現するための研究に関する講演があった.GPU等のアクセラレータを用いた高性能計算を行う上で,プログラミングのコスト,つまり生産性が大きな問題となる場合がある.本講演ではプログラミング可能な範囲を特定のドメインに制限したフレームワークを開発・実装することで,性能と生産性を両立する試みについて具体例を交えながら紹介された.講演では,まずステンシル計算向けのDomain Specific Language(DSL)について,その概要とDSLコンパイラによる最適化例およびGPU性能評価の結果が紹介された.次に,ドメイン特化による最適化例として,組み合わせ最適化による多重ループ融合に関する説明がなされた.また,計算メッシュの粒度を動的に調整し,計算量・メモリ量を削減するAdaptive Mesh Refinements(AMR)向けのフレームワークや,気候シミュレーションのためのフレームワークであるGrid ToolsのNICAM(全球正20面体気候モデル)への実装など,実アプリケーションに関する事例も紹介され,その実用性が感じられる内容であった.質疑応答では,例えば新ハードウェアへ対応する際のコストなど,実運用に関する質問が多く,参加者の関心の高さが伺えた.


『量子ダイナミクスの第一原理計算と光科学フロンティアへの展開』
  矢花 一浩(筑波大学)

 2人目の講演者は筑波大学の矢花一浩氏であり,量子ダイナミクスにおける第一原理計算の光科学フロンティアへの応用について講演があった.講演では,実際の応用計算の事例紹介に先立ち,量子(波動)ダイナミクス計算における物質の波動計算の難しさや,それを回避するための密度汎関数理論に関する説明があった.続いて,原子核物理学を専門としていた矢花氏が物質科学,光科学に展開するきっかけとなったナノサイエンスの発展,および光科学フロンティアについての紹介があった.その中で特にガラスのレーザー加工を例に挙げ,強い光を物質に当てた場合に生じる光と物質の相互作用を計算するための電磁気学(マクスウェル方程式)と量子力学(時間依存密度汎関数理論)を繋いだ多階層シミュレーションが取り上げられた.ガラスに光を当てた計算事例の紹介では,一見すると計算負荷はそれほど高くないようにも見受けられたが,マクスウェル方程式の計算点それぞれで量子ダイナミクス計算が並行して行われているとの説明を受けると,京コンピュータ10,000ノードで20時間という大規模な計算資源の利用も頷ける内容であった.講演の最後には,Oakforest-PACS全ノードを利用し,レーザーパルスをナノシリコン球に照射した場合の3次元計算を行った結果が示され,本フォーラムの題である「計算科学の可能性」を改めて実感できる講演であった.質疑応答では,多階層シミュレーションにおける具体的なカップリング方法や実験との連携に関する質問が挙がり,こちらも参加者の関心の高さが伺えた.


パネルディスカッション『HPCの社会シミュレーションへの展開』
  コーディネーター:田中 輝雄(工学院大学)

以下にパネリストによる研究紹介の要約とディスカッションのまとめを列記する.

堀 宗朗 (東京大)

津波避難の円滑・効率化のためにMulti Agent Simulation (MAS)が利用される.MASはエージェントと避難経路ネットワークから構成されるが,人の命を扱うため「相応に高度なエージェント」と「相応に精緻な避難経路ネットワーク」を使う必要がある.また,エージェントの高度化や多数ケースを扱う上で高性能計算が本質的に重要である.MASの結果は,最適な避難経路や目的地の設定に加え,歩行困難者の避難方法に関する検討などにも利用することができる.

藤澤 克樹 (九州大)

CPS(Cyber Physical System)とビッグデータ活用による都市OSの開発を連携企業と推進している.具体的な事例としては,機械学習(AI)によるヒト・モノ分布の危険度判定,ハイブリッド車(HV)やプラグインハイブリッド車(PHV)におけるガソリン消費量最小化,計算量とデータ量に合わせた多階層型データ解析システムの物流配送センターに対する適用などがある.上記の例は都市のスケールからすると局所的な問題であるが,都市全体を対象とした場合でも同様の技術が適用でき,様々な目的でセンシングされたデータをうまく使えば低コストで実現可能である.

野田 五十樹 (産総研)

社会における課題の大半はジレンマに起因するため,社会シミュレーションでは「最適化」よりも「ジレンマ分析」が重要であると考える.そこで,条件を様々に変えた網羅的シミュレーションを行うことで,人が判断・行動できるための備えとしての「ジレンマ分析」を推進している.網羅的シミュレーションでは問題が複雑になるほど条件の組み合わせが膨大になるためHPCの利用が欠かせない.以上のような社会シミュレーションを行う上で,「通常のPC上で様々な試し計算を行ってからスケールアップしたい」という要望があるため,今後のHPCについて,通常のPCと同じプログラムで高速に実行できるような展開を期待する.

上東 貴志 (神戸大)

複雑な社会シミュレーションにおいては,パラメータとデータの同時分布(尤度関数)が分からない場合が多く,このような場合には例えばマルコフ連鎖モンテカルロ法(MCMC)などの統計的な手法を使うことはできない.一方で,近似ベイズ計算は上記のような場合でもシミュレーションさえできれば理論上は応用可能であるが,膨大な計算が必要なため,完全な実用化には至っていない.今後ポスト京時代が到来し,HPC技術がさらに発展することによって,近似ベイズ計算が実用可能になることを期待している.

ディスカッション

ポスト京やポスト京時代に期待することについて白熱した議論が行われた.まず,ポスト京に対するパネリストからの期待としては,例えばライブラリやネットワーク,ストレージ周りの充実,また通常のPCとの互換性やユーザーインターフェースの改善などが挙げられた.会場からは,ポスト京の運用に対する要望に加え,ユーザー拡大のためにエコシステムを早期に構築することの重要性についても話題に上った.

 次に,ポスト京時代において新たに可能となる社会シミュレーションについて各パネリストから紹介あった.これを受けて会場からは,単にスケールを大きく,モデルを高度にしていくだけではなく,シミュレーション結果を分析して新たな結果をコンピュータが創出するような試みは可能かという質問が出た.これに対し,各パネリストから実例を交えた紹介があり,そうした試みはポスト京時代を待たずして既に始まっていることがわかった.上記のような技術がポスト京時代の訪れと共に今後さらに発展していけば,例えば行政レベルでの意思決定においてHPCによる社会シミュレーションが利用されるようになる日も近いのではないかと感じた.


『ポスト「京」開発の取り組み - ARM HPC エコシステムの形成とコンパイラの強化 -』
  新庄 直樹 (富士通(株))

最後に,富士通の新庄直樹氏より,現在開発が進められているポスト「京」に関する講演が行われた.講演ではまず,ポスト「京」開発の取り組みの要件として,「京」およびPRIMEHPC FXシリーズとの連続性の堅持,電力あたり演算性能の向上,ARM HPC普及に向けたオープンコミュニティとの連携の3点が挙げられた.本講演では特に,上記の3つ目の要件に対して,ARM/Linuxのコミュニティとの協業を促進し,マルチベンダーによる水平協業を実現する施策が紹介された.加えて,ARM HPCエコシステム形成に向けて連携を行う主要な組織であるARM,Linaro,OpneHPC,富士通それぞれの具体的な役割についての説明があり,特にARM基本ソフトとPCクラスタソフトの標準化を行うLinaro,OpneHPCが担う役割の重要性が強調された.また,富士通には最新で強力なコンパイラの早期整備が求められており,これに対する取り組みや,最新言語規格のサポート,C++の機能,性能強化に関する報告が行われた.質疑応答はコンパイラの仕様に関する内容のものが多く,会場全体からポスト「京」に寄せる期待が感じとれた.


おわりに

閉会にあたり,理化学研究所情報基盤センター長の姫野龍太郎氏から本フォーラムの総括と,講演者,パネリスト,会場の参加者全員への謝意が述べられた.懇親会には62名が参加し,講演やパネルディスカッションに関連した内容について活発な情報交換が行われ,大いに盛り上がった.


以上

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