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Systematic study of core collapse supernova simulations on many-core computers

Research Project

Project/Area Number 19K03837
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

松古 栄夫  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 助教 (10373185)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 住吉 光介  沼津工業高等専門学校, 教養科, 教授 (30280720)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords超新星爆発シミュレーション / 高性能計算 / GPU / 富岳 / PEZY-SC / SX-Aurora / 超新星爆発 / メニーコア計算機 / 数値シミュレーション
Outline of Research at the Start

重力崩壊型の超新星爆発は重い星の一生の最後に起こる現象だが、その爆発メカニズムには多くの謎が残されており、解明には大規模数値シミュレーションが不可欠である。重力波やニュートリノの観測データとの比較のためにも、定量的で系統的な研究が急務である。本研究では、GPUやPezy-SCなどのメニーコア計算機を利用して、超新星爆発シミュレーションを系統的に行う環境を開発する。ハイブリッドな並列環境に適したアルゴリズムや最適化法を確立すると共に、開発したコードを用いて、星のモデルや回転などの条件が爆発のダイナミクスに与える影響を網羅的に調べる。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度には引き続き超新星爆発シミュレーションの研究を行った。ニュートリノ輻射に対するBoltzmann方程式と結合した流体方程式コードを用いて、超新星爆発ダイナミクス、状態方程式の効果などの研究、シミュレーションコードの高速化を行った。球対称(1次元空間座標)及び3次元空間でのニュートリノ輻射-流体力学計算をGPUによって高速化するコードの開発を、東京大学のWisteriaなど、最新のGPU搭載システムを利用して行った。ベクトルアーキテクチャである、NEX SX-Aurora TSUBASAシステムを利用したシミュレーションを行った。GPUへのオフロードコードは主にOpenACCを利用して開発しているが、より詳細にGPUをコントロールできるCUDAでの開発も並行して行い、OpenACCからCUDAへのコード変換を行うアプリケーションの開発を進めた。以前開発したOpenACCからOpenCLへの変換スクリプトをCUDA向けに変更する開発を引き続き行っている。

早稲田大学を中心に進められている超新星爆発シミュレーション研究のグループに参加し、富岳コンピュータでの大規模数値シミュレーションによる研究を行った。長時間シミュレーションでは陰解法における線形方程式の反復解法がボトルネックとなるが、この解法に対し、富岳のアーキテクチャであるA64FX向けのSIMD高速化を適用し、性能の解析を行った。本研究期間ではまだ十分な高速化に至っていないが、引き続き最適化を行っている。本研究のような疎行列に対する大規模線形解法に有効なマルチグリッド法についても、効率的なアルゴリズムの探索を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本課題の主要なゴールである、GPUでの高精度計算を進める予定であったが、GPU向けコードの動作検証、コード変換ソフトウェアの開発に予想以上に時間がかかっている。特に運用を終了したPEZY-SC搭載のSuirenシステムなどから、開発を続けるための環境を新システム上で再構築するのに手間取ったことなども一因である。

Strategy for Future Research Activity

GPU向けコードの開発とそれを利用したシミュレーションの実行については、ローカルに構築した計算システムと東大のwisteriaなどを中心に進めてゆく。富岳での高速化についてもこれまでに積んだ経験を適用して最適化と大規模計算への応用を進める。

Report

(5 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 18 results,  Open Access: 15 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Physical mechanism of core-collapse supernovae that neutrinos drive2024

    • Author(s)
      YAMADA Shoichi、NAGAKURA Hiroki、AKAHO Ryuichiro、HARADA Akira、FURUSAWA Shun、IWAKAMI Wakana、OKAWA Hirotada、MATSUFURU Hideo、SUMIYOSHI Kohsuke
    • Journal Title

      Proceedings of the Japan Academy, Series B

      Volume: 100 Issue: 3 Pages: 190-233

    • DOI

      10.2183/pjab.100.015

    • ISSN
      0386-2208, 1349-2896
    • Year and Date
      2024-03-11
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. IV. Development of SPECIAL BLEND: A New Public Analysis Code for Supernova Neutrinos2023

    • Author(s)
      Harada Akira、Suwa Yudai、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakanishi Fumi、Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Wendell Roger A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 954 Issue: 1 Pages: 52-52

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace52e

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Protoneutron Star Convection Simulated with a New General Relativistic Boltzmann Neutrino Radiation Hydrodynamics Code2023

    • Author(s)
      Akaho Ryuichiro、Harada Akira、Nagakura Hiroki、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 944 Issue: 1 Pages: 60-60

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acad76

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Principal-axis Analysis of the Eddington Tensor for the Early Post-bounce Phase of Rotational Core-collapse Supernovae2022

    • Author(s)
      Iwakami Wakana、Harada Akira、Nagakura Hiroki、Akaho Ryuichiro、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 933 Issue: 1 Pages: 91-91

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac714b

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multigrid solver on Fugaku2022

    • Author(s)
      Kanamori Issaku、Ishikawa Ken-Ichi、Matsufuru Hideo
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: LATTICE2021 Pages: 278-278

    • DOI

      10.22323/1.396.0278

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      2022 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Impact of late-time neutrino emission on the diffuse supernova neutrino background2022

    • Author(s)
      Ekanger Nick、Horiuchi Shunsaku、Kotake Kei、Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 106 Issue: 4 Pages: 043026-043026

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.043026

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stability analysis of supermassive primordial stars: a new mass range for general relativistic instability supernovae2022

    • Author(s)
      Nagele Chris、Umeda Hideyuki、Takahashi Koh、Yoshida Takashi、Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 517 Issue: 2 Pages: 1584-1600

    • DOI

      10.1093/mnras/stac2495

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Leptonic and semi-leptonic neutrino interactions with muons in proto-neutron star cooling2022

    • Author(s)
      Sugiura Ken’ichi、Furusawa Shun、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2022 Issue: 11

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac118

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of nuclear matter and composition in core-collapse supernovae and long-term proto-neutron star cooling2022

    • Author(s)
      Sumiyoshi Kohsuke、Furusawa Shun、Nagakura Hiroki、Harada Akira、Togashi Hajime、Nakazato Ken’ichiro、Suzuki Hideyuki
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2023 Issue: 1 Pages: 1-32

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac167

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. II. Impact of the Nuclear Equation of State2022

    • Author(s)
      Nakazato Ken’ichiro、Nakanishi Fumi、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Suwa Yudai、Sumiyoshi Kohsuke、Harada Akira、Mori Masamitsu、Wendell Roger A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 925 Issue: 1 Pages: 98-98

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac3ae2

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Multidimensional Boltzmann Neutrino Transport Code in Full General Relativity for Core-collapse Simulations2021

    • Author(s)
      Akaho Ryuichiro、Harada Akira、Nagakura Hiroki、Sumiyoshi Kohsuke、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 909 Issue: 2 Pages: 210-210

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abe1bf

    • Related Report
      2021 Research-status Report 2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Equation of state and neutrino transfer in supernovae and neutron stars2021

    • Author(s)
      Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      The European Physical Journal A

      Volume: 57 Issue: 12 Pages: 1-12

    • DOI

      10.1140/epja/s10050-021-00644-z

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical study of stellar core collapse and neutrino emission using the nuclear equation of state obtained by the variational method2021

    • Author(s)
      Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Togashi Hajime
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 73 Issue: 3 Pages: 639-651

    • DOI

      10.1093/pasj/psab026

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stability of the protoneutron stars towards black hole formation2021

    • Author(s)
      Sotani Hajime、Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 507 Issue: 2 Pages: 2766-2776

    • DOI

      10.1093/mnras/stab2301

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neutrino emission from the collapse of 10^4 M Population III supermassive stars2021

    • Author(s)
      Nagele Chris、Umeda Hideyuki、Takahashi Koh、Yoshida Takashi、Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 508 Issue: 1 Pages: 828-841

    • DOI

      10.1093/mnras/stab2592

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Object-Oriented Implementation of?Algebraic Multi-grid Solver for Lattice QCD on SIMD Architectures and GPU Clusters2021

    • Author(s)
      Kanamori Issaku、Ishikawa Ken-Ichi、Matsufuru Hideo
    • Journal Title

      Lecture Notes in Computer Science

      Volume: 12953 Pages: 218-233

    • DOI

      10.1007/978-3-030-86976-2_15

    • ISBN
      9783030869755, 9783030869762
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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Boltzmann-radiation-hydrodynamics Simulations of Core-collapse Supernovae with Different Equations of State: The Role of Nuclear Composition and the Behavior of Neutrinos2020

    • Author(s)
      Harada Akira、Nagakura Hiroki、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Sumiyoshi Kohsuke、Matsufuru Hideo、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 902 Issue: 2 Pages: 150-150

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abb5a9

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Simulations of the Early Postbounce Phase of Core-collapse Supernovae in Three-dimensional Space with Full Boltzmann Neutrino Transport2020

    • Author(s)
      Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Nagakura Hiroki、Harada Akira、Furusawa Shun、Sumiyoshi Kosuke、Matsufuru Hideo、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 903 Issue: 2 Pages: 82-82

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abb8cf

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Acceleration of Boltzmann Equation for Core-Collapse Supernova Simulations on PEZY-SC Processors2020

    • Author(s)
      Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke
    • Journal Title

      Lecture Notes in Computer Science

      Volume: 12253 Pages: 177-192

    • DOI

      10.1007/978-3-030-58814-4_13

    • ISBN
      9783030588137, 9783030588144
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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高温高密度物質を探る―大西さんの思い出2024

    • Author(s)
      住吉光介
    • Organizer
      大西さん追悼研究会「クォーク・ハドロン・ 原子核物理の潮流と展望」
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Neutrino and nuclear physics in core-collapse supernovae2023

    • Author(s)
      K. Sumiyoshi
    • Organizer
      KiPAS international workshop "From particle physics to supernovae and early Universe"
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 状態方程式データテーブルの経歴2023

    • Author(s)
      住吉光介
    • Organizer
      研究会「中性子星・超新星におけるニュートリノ・原子核物理」
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 連星中性子星合体後の長期進化におけるニュートリノ輻射輸送2023

    • Author(s)
      住吉光介, 藤林翔, 長倉洋樹
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 超新星における状態方程式の影響と残された課題2022

    • Author(s)
      住吉光介
    • Organizer
      研究会「重力波天文学時代における超新星研究」
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 状態方程式テーブルでの原子核組成の違いによる超新星・原始中性子星への影響2022

    • Author(s)
      住吉光介、古澤峻、原田了、富樫甫、長倉洋樹、中里健一郎、鈴木英之
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Acceleration of Boltzmann Equation for Core-Collapse Supernova Simulations on PEZY-SC Processors2020

    • Author(s)
      Hideo Matsufuru
    • Organizer
      International Conference on Computational Science and Its Applications (ICCSA 2020)
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SX-Aurora を使ってみた2020

    • Author(s)
      松古栄夫
    • Organizer
      第6回 High Performance Computing Physics (HPC-Phys) 勉強会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 多次元ボルツマン方程式解法のメニーコア及びベクトル計算機による高速化2020

    • Author(s)
      松古栄夫
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会(2020年)
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 超新星爆発シミュレーションのための球対称ボルツマン方程式のGPU, Pezy-SC, SX-Auroraによる高速化2019

    • Author(s)
      松古栄夫
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Acceleration of the spherically symmetric Bolzmann equationfor supernova explosion simulationson GPU, Pezy-SC, and SX-Aurora2019

    • Author(s)
      Hideo Matsufuru
    • Organizer
      Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (4M-COCOS)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-12-25  

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