開発アプリケーション

基盤アプリケーション

京で実績のあるアプリケーションをベースに開発

ポスト「京」を有効に活用し、国家的に取り組むべき社会的・科学的課題の解決に資するアプリケーションを開発するため、本重点課題では4つの基盤アプリケーションを設定しています。「京」で実効的な超並列計算の実績があり、本重点課題で共通に利用できる観点から、量子化学計算プログラム（NTChem、GELLAN）、分子動力学計算プログラム（MODYLAS）、第一原理計算プログラム（stat-CPMD）の4つを基盤アプリケーションとし、ポスト京での超並列計算で実効性能が上がるように設計開発を行います。

コデザイン

コデザインで国際的に競争力あるシステムを実現

今回のポスト｢京｣の大きな特徴の一つが、システムとアプリケーションソフトウェアのコデザイン（協調設計）です。文字通り、ポスト｢京｣システムの開発とアプリの開発を並行して進め、相互にフィードバックを行うことにより、最終的なアプリの実効性能を高めることを目的にするものです。本重点課題では、コデザインの対象としてNTChemを選びました。コデザインを通して、NTChemの高速化を図るだけではなく、そのノウハウを他の基盤アプリケーションにも適用していく予定です。

＜ターゲットアプリ＞ NTChem

ソフトウエア名: NTChem

開発者: 中嶋（理研）

機能: 汎用第一原理; 電子状態計算ソフト; 化学反応計算

背景	重点課題５ターゲットアプリ、基盤アプリ
京での性能実績	360原子　9,840原子軌道　71,288ノード　実効効率 32%
目標とする適用対象	5千～1万原子系の励起状態計算太陽電池シミュレータ，反応経路探索シミュレータ，凝縮相内化学反応シミュレータ
目標性能^※	2年間@京 ↓（100倍） 1週間@ポスト「京」
主な機能	汎用の量子化学計算ソフトウェア，大規模分子の基底・励起状態の電子状態と化学反応計算，重原子分子計算，様々な物性値計算
備考	詳細な機能 RHF，UHF，DFT，TDDFT，MP2，任意次CC，QMC，エネルギー微分法，線形スケーリング計算，QM/MM-MD，相対論(スピン・軌道相互作用)計算，電子的・時期的性質の計算，入力支援プログラム，MPI/OpenMPハイブリッド並列

※システム性能を京の100倍と仮定

GELLAN

ソフトウエア名: GELLAN

開発者: 天能（神戸大）

機能: 階層的量子化学計算ソフト; 高精度電子状態計算; QM/MM分子動力学

背景	HPCI戦略プログラム分野2重点課題アプリ
京での性能実績	120原子　5,520原子軌道　21.672ノード　実効効率32%
目標とする適用対象	10²⁰人工光合成シミュレータ
目標性能^※	5年間@京 ↓（100-1000倍） 3週間@ポスト「京」 5,520原子軌道21.672ノード実効効率32%
主な機能	F12理論を含む高精度ポストハートリー・フォック法の超並列計算任意の励起状態を正確に計算可能な量子モンテカルロ（MSQMC）法スピン射影演算子による大規模強電子相関系の電子状態と物性計算一般化混成軌道法によるマルチスケールモデルと分子動力学計算
備考	詳細な機能 RHF，UHF，MP2，MP2-F12，CCSD(T)，CC-LRT，CCSD(T)-F12，RISM-SCF法，モデル空間量子モンテカルロ法，GHO-QM/MM分子動力学法，SUHF法，ECISD+Q法，ECEPA法，EAQCC法，各種電子物性計算

※システム性能を京の100倍と仮定

MODYLAS

ソフトウエア名: MODYLAS

開発者: 岡崎（分子研／名古屋大）

機能: 汎用分子動力学計算ソフト; 自由エネルギー計算; 多相共存系

背景	HPCI戦略プログラム分野2重点課題アプリ
京での性能実験	8,000万原子系　65,536ノード　実効効率 41%
目標とする適用対象	1-10億原子系全原子分子動力学全電池シミュレータ（電解質膜、界面）多相共存系シミュレータ
目標性能^※	3年間@京 ↓（100倍）約10日@ポスト「京」
主な機能	材料・ナノ・バイオ分野における分子動力学計算に必要な各種手法を備えている。FMM法に基づいた長距離力の計算により高効率の超並列計算を実現し、1億原子を超える大規模系の長時間計算が可能。
備考	詳細な機能長距離力の計算： FMM-Ewald，PME アンサンブル： NVE，NVT (Nose-Hoover)，NPT (Andersen)，NPT (Parrinello-Rahman) 拘束： SHAKE/ROLL，RATTLE/ROLL 運動方程式の解法： RESPA Multiple Time Step 自由エネルギー： Thermodynamic Integration Method 力場： CHARMM，OPLSAA，AMBER

※システム性能を京の100倍と仮定

stat-CPMD

ソフトウエア名: stat-CPMD

開発者: 館山（物材機構）

機能: 第一原理分子動力学; 反応自由エネルギー計算

背景	HPCI戦略プログラム分野2重点課題アプリ
京での性能実験	2,400原子系　3,840ノード　実効効率 29%
目標とする適用対象	反応スクリーニング5千規模の原子系多重化学反応全電池シミュレータ（二次電池電極反応）
目標性能^※	2年間@京 ↓（70倍） 10日間@ポスト「京」
主な機能	CPMDをベースに、物材機構で機能を追加し、「京」向けに高速化・高次並列化。「京」においては数千原子サイズの系の第一原理分子動力学サンプリングが、10 sec/step前後で実現してきた。これはFFTなどのカーネル部分のチューニングによるものである。さらに反応自由エネルギープロファイル計算の並列化を実装した。
備考	詳細な機能サンプリング並列化、マルチプル並列化 QM/MMなどの連成シミュレーション向けたインターフェース開発反応自由エネルギー計算手法の高効率化電気化学反応・界面酸化還元反応の記述手法開発

※システム性能を京の100倍と仮定

開発中のアプリケーションプログラム一覧

成果の利活用については公開します。産業界と密接に連絡を取りながら、完成後の産業界への展開を前提に開発を進めています。これにより、エネルギー以外の広範な分野にも大きな波及効果が見込まれます。

アプリケーション名	機能	京での性能実績、他	活用ｼﾐｭﾚｰﾀ
1 NTChem ターゲットアプリ基盤アプリ	汎用第一原理電子状態計算ソフト化学反応計算 →1万原子系　励起状態計算	360原子　9,840原子軌道71,288ノード実効効率 32% 世界最高レベルの超並列	太陽電池ｼﾐｭﾚｰﾀ、反応経路探索シミュレータ（触媒）
2 GELLAN 基盤アプリ	階層的量子化学計算ソフト QM/MM分子動力学 →10²⁰以上の電子配置からなる超高精度励起状態計算	120原子 5,520原子軌道21,672ノード実効効率 32% 世界最高水準の高精度計算	人工光合成ｼﾐｭﾚｰﾀ
3 MODYLAS 基盤アプリ	汎用分子動力学計算ソフト自由エネルギー計算、多相共存系 →10億原子系　全原子分子動力学	8,000万原子系65,536ノード実効効率 41% 世界最高クラスの高速計算	全電池ｼﾐｭﾚｰﾀ（二次電池、燃料電池）、多相共存MDｼﾐｭﾚｰﾀ（ハイドレート）及び太陽電池・人工光合成ｼﾐｭﾚｰﾀ。重点課題1と共同開発。
4 stat-CPMD 基盤アプリ	第一原理分子動力学ソフト反応自由エネルギー計算 →5千原子系　多重電極反応	2,400原子系 3,840ノード実効効率 29%	全電池ｼﾐｭﾚｰﾀ（二次電池）
5 RedMoon	混合MC/MD反応法 →大規模電極反応	大規模な複合化学反応系のアトミスティックシミュレーションを実現	全電池ｼﾐｭﾚｰﾀ（二次電池）
6 STATE	第一原理分子動力学ソフト →燃料電池電極反応	金属電極での安定な計算が可能 1000ノード実効効率14%	全電池ｼﾐｭﾚｰﾀ（燃料電池）
7 GRRM	化学反応経路探索ソフト →網羅的探索	計算者の恣意性を排した反応経路自動探索機能	反応経路探索ｼﾐｭﾚｰﾀ（触媒）
8 DC-DFTB-K	分割統治(DC)法に基づくDFTB 計算ソフト →CO₂吸収・放出過程	線形コストスケーリングを達成する大規模系の電子状態計算 500万原子系36,864ノード	凝縮相内化学反応ｼﾐｭﾚｰﾀ（CO₂分離・回収）
9 SMASH	大規模並列量子化学計算ソフト →高速DFT・MP2分子構造計算	360原子 4,500原子軌道12,288ノード実行効率13%	太陽電池ｼﾐｭﾚｰﾀ、反応経路探索ｼﾐｭﾚｰﾀ（触媒）