季刊『都市政策』第144号財団法人神戸都市問題研究所 (2011年7月）P12-17 スパコンってなあに？－京速コンピュータ「京（けい）」の成功に向けて計算機科学と計算科学の協業－米澤明憲独立行政法人理化学研究所　計算科学研究機構　副機構長　３．高度なテクニックと豊かな経験をもったこのたび神戸ポートアイランドに設置され，人にしか運転できない１年後には正式運用される「次世代スーパー４．普通の車のように，沢山は生産されるこコンピュータの開発・利用」プロジェクトのとがない中核となるスパコン「京」は，いわゆるコン５．製造業者の技術力の指標になり，世界レピュータと呼ばれるものの中でその進歩の最・ベルでの競争を呼ぶ最先端をいくものです。それをお話してみましょう。６．走行に大量の燃料を必要とする ※本年６月20日に公表されたスパコンの世界などなど，様々な特徴をもっていますね。ランキング（TOP500）では，「京」は第一これらの特徴に対応してスパコンも，位に輝きました。Ｓ１．スパコンでは超高速に演算が可能Ｓ２．スパコンの製造にはその時代で最も洗Ｆ１カーとスパコン練された半導体技術，回路設計技術，方式技術を必要とする “スパコンって，スーパーコンピュータのＳ３．スパコンを使いこなすには相当なテクことでしょ。それってとっても速く計算をすニックとスパコン内部についてのかなりるコンピュータですよね。じゃ，私たちが持っの知識が必要ているパソコンとかラップトップとかとどこＳ４．世界には数百のスパコンしか存在しなが違うの？”　こんな会話が（よく）あるかいもしれないので，ちょっとそれにお答えしてＳ５．スパコンには「リンパック（Limpack）」みます。車に例えると，スパコンはよくＦ１という性能評価のための指標（ベンチマーレースに出る車に相当すると言われます。Ｆク）があり，６ヶ月ごとにこの指標で世１用のレーシングカーは，界コンテストが行われる１．超高速度を出せるＳ６．スパコンを走らせるには大量の電力を２．それらを可能にする，高度に洗練された必要とするメカニクス（機構）で出来ているなどが当てはまりますが，スパコンがＦ１レー 12 ・シングカーと大きく違うところは，スパコンのように使って行われるか，ちょっとだけ説は非常に沢山のことに役立ち，我々人間の生明してみます。そもそも，スパコンの世界で活を安全で非常に豊かにしてくれる点にありはよく「シミュレーション」という言葉が使ます。われます。シミュレーションの訳語として，昔は模擬実験と呼ばれることもありました。スパコンが何に役立つの？この訳語が何となく意味しているように，シミュレーションは実物を使った実験ではなく，たとえばあるところで大きな地震が発生し実物の代わりに実物のモデルを数値で表現した時に，津波が沿岸に到達する時間や波の高たものを扱い，実物がある法則で変化していさや，またその後に繰り返し寄せてくる津波く様子を，数値的なモデル（模型）が何らかの時間や高さを，瞬時に予測して住民に警報の法則に従って変化して行く過程を計算してし，詳細な情報を提供することができます。いくわけです。非常に簡単な例を考えてみまあるいは原子炉が障害を起こして放射性物質しょう。二つのビリヤード球がビリヤード台が漏れたときに，その放射性物質が風や水流の上で衝突したとき，衝突の直後から0.1秒あでどのように広がっていき，どの場所にどのるは0.2秒後にそれぞれの球がどこにあって，ようなレベルの放射能が検出される可能性がどのくらいの速度で動いているかは，簡単なあるかを，瞬時に予測し警報を出すことがで物理法則を表す方程式から計算できそうだときます。また，台風が発生したら，その台風いうことはおわかりでしょう。これはもちろがどのような形や大きさをもち，いつ頃どこんスパコンを使うまでもなく計算できます。に到達するかも予測することができます。さでは，例えばコップに入った水にインクをらに，スパコンを使って大量の計算や処理を一滴落としたとして，そのときインクがコッすることによって，本当の車を実際に高速でプの中にどのように広がって行くかを，実際壁に衝突させる実験を行わないで安全な車をの水やインクを使わず数値的シミュレーショ設計・製造することができます。ンだけでかなりの程度正確に知ることができ人類の知識を深めるスパコンの有り難さは，ます。これにはパソコンより少し大きなコン日常生活にただ役に立つことだけではありまピュータを使えばできます。実際，コップ内せん。たとえば，宇宙の誕生，銀河の進化，の静止している水を数値的に表現してスパコ物質の究極構造などの，自然界や宇宙の神秘ンの中にモデル化していく。同時にインク滴を探求したり，生物内の細胞の働きや生物のの数値モデルをつくり，さらに或る高さから発生・発達のメカニズムを解明するのに大変それをコップの水に落ちた瞬間の衝撃等を計強力な武器になっていて，人類の知識や知恵算しておく。そこで，コップの中の水は，莫を発展させることが，スパコンを駆使するこ大な数の極小の水粒の集まりと考え（そのよとによって可能になりつつあるのです。うな水のモデルを想定），全ての水粒の位置を記録しておきます。さらにインク滴である丸スパコンをどう使ってシミュレーションをするの？い球についても同様に，沢山の極小の黒色水粒で出来ていると想定し，インク滴が丸い球のまま水に落ちたと仮定する。インク滴を構成する沢山の黒い極小水粒が水面に達する速さて，今話したことが，実際スパコンをど 13 ・津波とその災害をシミュレーション度は，どの水粒も同じと仮定して簡単に計算できます。さて今度は，極小水粒，黒い極小水粒の一こんな簡単な実験ではなく，我々が現在ほつひとつを先ほどお話したビリヤード球だとしいと思っていることは，地震による津波の考えてください。沢山の無色水粒と沢山の黒動きや，津波が陸上でどのような災害をどこ色水粒がそれぞれぶつかり合うことが起きるで起こすかをシミュレーションすることかもわけです。（もちろん，ビリヤード球同士がぶ知れません。これをスパコンで計算するには，つかりあう様子と，水粒同士がぶつかりあう１．地震が発生する可能性のある海域の海底様子は，かなり違いますが，ここではその違の数値的なモデルいに目をつぶってください。）すると，インク２．津波が到達する可能性のある沿岸の地形滴が水中に落ちたときから，非常に短い時間の数値的なモデル幅（たとえば0.0005秒）ごとに全ての無色水３．地震が発生したとき，その地点での海底粒と黒色水粒の衝突の効果をある物理法則をの動きやそれによって引き起こされる，海用いれば，全ての水粒の位置と速度を計算す水の塊の急激な移動を数値的にモデル化ることができることは何となくおわかりいた４．その地点での急激な海水の塊の移動が，だけますよね？　無色水粒同士の衝突もあれ海の中をどのように伝播するかを流体に関ば，黒色水粒同士の衝突もあり，無色と黒色する（偏微分）方程式を解く計算をするの衝突もあります。黒色水粒がコップの中で５．同時に，海面にどのような波が生じてどどのように動いて行くかが，インクのコップのように伝播するかについても，やはり方内の拡散に相当します。程式を解く計算をするインク滴がコップ内の水の中でどんな様子６．さらに波が沿岸に近づくにつれて，沿岸で広がっていくかを正確・精密に知りたい場近くの海底の地形のモデルを取り込んだよ合もあれば，大雑把に知るだけでいい場合もり複雑な方程式を解く計算をする。あります。より精密なシミュレーションをし７．以上によって入り組んだ海岸線の，どのたいのなら，水を構成する水粒やインク滴を場所でどのくらいの高さの波が押し寄せる構成する水粒の大きさをより小さく想定してかを計算する（結果として水粒の数は増える），かつ水粒のなどのことをする必要があります。位置や方向を計算する時間間隔をより短くす実験や予想をより正確で精度の高いものにればよいのです。しかし，水粒の大きさを小するためには，モデルや模型をより現実に近さくすればするほど，また計算間隔を小さくくする必要があり，モデルや模型が精密なもすればするほど，計算しなければならない衝のになればなるほど，シミュレーションのた突の数が増えていくので計算の量が指数関数めの計算が莫大な量になります。実験や予想的に増えていきます。そこで，より精密・正の精度を高めたければ，より多くの計算が必確なシミュレーションをするには莫大な計算要になり，そこでより大規模なスパコンが必が必要になり，スパコンのように巨大な計算要になるわけです。を瞬時にできるコンピュータが必要になるわけです。 14 ・「京」と理研計算科学研究機構人以上の人々が解こうとすると，それぞれの人にどのような仕事を割り当て，互いに連絡私の所属する独立行政法人理化学研究所「計しながらどのように協力してやってもらうか，算科学研究機構（AICS）」では，世界の最高またそのような協力が高速かつ円滑に行える峰となるような「京」を設置し始めています。ようにするための人同士のコミュニケーショ来年の６月ごろにはこれが完成し試験運用をン基盤や手段を工夫する必要があり，容易な始めることになっており，さらに11月には正ことではないことを，ご納得いただけると思式運用を開始します。AICS の使命はこのスいます。パコンを運転・運用することと，加えてもう実際に，「京」のような最先端のスパコンの一つ非常に重要な使命を持っています。その威力を十分引き出すためには，シミュレーショ使命とは，「京」が潜在的にもつ超莫大な能力ンを実行するアプリケーションプログラム（ソを最大限引き出すにはどうすればよいか研究フトウエア）を上手に書かなければなりませすることです。またその研究をもとに，さらん。それは丁度，Ｆ１レースのドライバーがに京の何百倍も力をもつ次の世代のスパコンＦ１カーをそのコースの特性やその時の天候をつくる技術を養うことです。や車の調子を考慮しながら上手に運転するの「京」の能力を引き出すのに研究が必要とに相当します。スパコンの特性を良く知って言われると少し変な気がするかも知れません。プログラミングする必要があるということは，冒頭では，スパコンをＦ１レーシングカーにスパコンを構成する様々な機構・メカニズム例えましたが，Ｆ１カーが直線で突っ走るなを研究し知見を得ることが必要であることをら最初からある強さでアクセルを踏んでゆき，意味します。そのためには，スパコンや計算アクセルを全開にもってゆけば最高速度に到機一般について研究開発をしている「計算機達し，それをさらに踏み続けていれば最高速科学」分野の研究者や技術者（計算機科学者）度を維持することもできます。もちろん，カーと，スパコンをプログラミングしてシミュレーブを旨く曲がる，他の車を追い抜く技術は別ションを行う物理，化学，生物，医学，工学に必要になり，それは大変高度なものだと思等の様々な分野の研究者（計算科学者）の緊います。しかし，「京」のようなスパコンの場密な協力が不可欠になるわけです。合にはこの例えは，漠然としかあてはまりま計算機科学と計算科学せん。「京」は，非常に沢山の，実際60万個以上の CPU（計算機の中核部分）の集まりから出来ています。この60万個以上の CPU は同この文の副題の中には似たようで紛らわし時かつ並行的に動作することができます。普い，しかも聞き慣れない二つの「科学」すな通のパソコンには１個の CPU しか入っていわち計算機科学と計算科学が出ていて申し訳ませんから，「京」はパソコンの60万倍以上のありません。しかしこれらの科学は，将来の能力が潜在的にあるわけです。しかし，60万科学技術や社会の進歩・発展の鍵となるもの個以上の CPU（コンピュータやパソコン）をなのです。互いに協力させながら同時に動かし，一つの「計算機科学」は，コンピュータのハード仕事や問題を解決するには大変高度な技術がウェアとソフトウェアに関する研究・開発を必要になります。例えば，一つの問題を60万行う学問で，コンピュータが1940年代には出 15 ・現して以来飛躍的に進歩してきています。現ど不可能になりつつあります。それを可能に在，地球上の莫大な数の人々が直接・間接にするのが，超大規模な計算機を用いたシミュ利用し恩恵をうけているインターネットは，レーションです。既にお話したように，気象計算機科学の発展があったらからこそ可能にや津波の伝播を強力なスパコンを用いてシミュなったものです。ケイタイ，パソコン，サーレーションし，将来起こるであろう気象や津バー，検索エンジン，GPS システムなどの例波伝播の現象を予測します。「京」のような世のみならず，情報通信や知識流通等を担って界最高級のスパコンをつかえば，地震や津波いる社会インフラの発展に，計算機科学の貢で起こる災害を出来るだけ最小限に抑える「減献は不可欠なものです。そして「京」のよう災」を可能にします。なスパコンも計算機科学のたゆまぬ進歩によっこのようなシミュレーションは，科学技術て可能になったものです。の研究開発における，観測，理論に次ぐ第三他方，計算科学は，物理学，化学，生物学，の方法論とみなされています。スパコンによ医学，工学など伝統的な多くの学問分野が対るシミュレーションが活用される，科学技術象とする様々な現象に対して，その数値的なの研究開発はつぎのような図式に変わります。モデルをコンピュータの中に作り，計算・シ｛現象｝⇒ 観測 → 理論 →　ミュレーションすることを基本的な方法論とシミュレーション → 予測　する新しい学問です。従来の物理，化学，生物学などの分野では実際の観測や実験から得シミュレーションは予測をする手段・方法られるデータをもとに理論をつくり，その理ですが，同時に実験をすることでもあります。論とそれに基づく簡単な計算や推論から現象シミュレーションは，実際に物理化学的な反を予測し，その予測（値）が実測の観測や実応を起こさせるのではなく，計算機やスパコ験データと合致するかによって理論の正しさンの中で計算や処理を行うことによって，実を検証するという方法論を用いていました。際の実験ではなく，「仮想的」な実験，すなわすなわち，これまでは，ちシミュレーションを行います。危険な例を敢えてあげれば，水爆・核兵器のために，1970 ｛現象｝⇒ 観測 → 理論 → 予測年代までは欧米諸国は実際に核爆発を起こすという図式で科学的な研究が進められてきま本物の実験を行っていました。しかしシミュした。この図式では観測が第一の方法論，理レーション技術の進歩によって核実験のシミュ論が第二の方法論です。従来の科学技術は，レーションが可能になり，放射性物質飛散のこの二つの方法論をベースに進歩してきまし危険性や実験にともなう莫大なコストがなくた。なったため，今日では一部の国を除いて核爆この流れのなかで，観測・実験技術も同時発はスパコンによるシミュレーションしか行に急激に進歩し，詳細で精緻なデータが大量われていないのが現状です。に得られるようになり，それらデータを整理社会・経済の領域でもスパコンは威力し意味づける理論も高度に進歩し続けています。しかし，莫大なデータの処理や高度に発達した理論から，現象を正確に予測すること核爆発のシミュレーションはいろいろな物は，従来からの簡単な計算や推論ではほとん理法則や方程式を組み合わせて行われている 16 ・でしょうから，水爆のシミュレーションは上の図式の【理論→シミュレーション】の部分に沿っていると考えられます。一方，世の中には「現象」を旨く抽象してある程度精密な理論をつくることが出来ていない分野が沢山あります。社会科学の分野での研究や予測にもスパコンは威力を発揮します。例えば，インフルエンザが流行していく過程や，SMS や Twitter でニュースや噂が広がっていく過程，あるいは，大きな選挙のときの人々の投票行動や選挙結果などもスパコンを用いて大規模かつ精緻に予測・シミュレーションできるはずです。このあたりは，まだあまり実験や研究がされていないのですが，影響力の大きい分野と思われています。戦略的５分野このほか，計算科学の分野でも，国が「戦略的５分野」と称して，「京」を高度に利用することを特別に奨励している研究がありますのでその名称だけ紹介しておきます。１．予測する生命科学・医療および創薬基盤２．新物質・エネルギーの創成３．防災・減災に資する地球変動予測４．次世代ものづくり５．物質と宇宙の起源と構造以上がその分野名ですが，４，５年の間にスパコン「京」を用いて，これらの分野からインパクトの大きい成果がでるものと予想されています。今後の「京」の活躍にご注目いただくと共に，ご支援もどうぞ宜しくお願い致します。 17 ・