| Project/Area Number |
21K03663
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research (2022-2023)
Kobe University (2021) |
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Principal Investigator |
山浦 剛 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 技師 (00632978)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 数値気象モデル / 演算精度 / 演算加速器 / FPGA / 数値誤差 |
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| Outline of Research at the Start |
気象モデルによる数値計算は、数値誤差を抑えるために高精度演算を用いることが一般的である。高精度演算は多大な計算コストを要するが、これまでは誤差の影響を低減するために演算コストを浪費してでも高精度演算を行うしかなかった。今後の気象モデルは、必要な演算部分に適切な精度を適用した演算を行うように工夫する必要がある。
本研究課題は演算精度低下に伴う数値誤差理論を用いて、気象モデルにおいて演算精度と演算コストを最適化する計算手法を明らかにし、同時に現在の技術水準で最も演算精度・コストに優れた気象モデルを構築、実証することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
低精度浮動小数点演算エミュレータを組み込んだScalable Computing for Advanced Library and Environment (SCALE) 領域モデルを用いて実際の気象計算を行い、低精度浮動小数点数による初期値アンサンブル計算手法とモデルアンサンブル計算手法の比較を行った。この比較については前年度も実施していたが、本年度ではさらにアンサンブル数を増やし、より統計的に信頼できるサンプル数を確保できるようにした。これは以前に議論した中で指摘されていた事項でもある。この結果として、サンプル数を確保しながらも以前までと同様の結論が得られることを確認した。即ち、初期値アンサンブル手法では半精度浮動小数点数のような非常に低い精度の数を用いてもアンサンブルのばらつき（＝スプレッド）が足りず、モデルアンサンブル手法では単精度浮動小数点数未満まで精度を下げると、従来用いられているアンサンブル手法と同程度のスプレッドが得られた。先行研究では、このスプレッドは数値気象予報モデルがもつ自由度が小さいために過小評価されやすい。実際の予報でもスプレッドが足りず、予報がうまくいかないといった問題が挙げられている。本研究では、従来のアンサンブル手法と低精度浮動小数点モデルアンサンブル手法を組み合わせることで、二乗平均平方根誤差を抑えつつスプレッドを拡大させられることを確認した。
これらの結果について、第6回国際非静力学モデルワークショップ（札幌）、日本気象学会2023年度秋季大会（仙台）、第6回R-CCS国際シンポジウム（神戸）にて研究発表を行い、参加者と議論を交わした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本来であれば前年度までに低精度浮動小数点演算エミュレータを利用した数値気象予報モデルに関する理論的な論文を投稿し、FPGAを利用した低精度浮動小数点演算について実際にモデル構築を行う研究を進める予定であったが、遅れが発生している。一番の理由は研究代表者に子どもが誕生したことにより、従来よりも研究時間の確保が困難になったためである。特に前年度前半は母子の健康を考え、職場となる理化学研究所計算科学研究センターがある神戸から故郷の熊本へ移動してもらい、研究代表者が神戸と熊本を往復しながら勤務をしていた。リモートワークでできること、勤務地でできることを切り分けつつ作業を行っていたため、予想よりも研究が遅れることとなった。これについては理化学研究所がコロナ禍明けの勤務指針としてフルリモートワークの勤務形態を明確にしたため、研究代表者の拠点を熊本へ移すことで解決する見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究方針として、年度前半のうちに低精度浮動小数点演算エミュレータを用いた理論的研究の論文を学術誌へ投稿する予定である。これについては日本気象学会が発行する国際学術誌「Journal of the Meteorological Society of Japan」における特集号「Special Edition on Research on the Frontier of Atmospheric Science with High Performance Computing」への投稿を検討している。また、フルリモートワーク下でもFPGAサーバにアクセスできるように整備を行い、研究を滞りなく進展させることができるようになった。仮にサーバを置く理化学研究所へ赴く必要が生じても、復旧までの手順をマニュアル化してあるので、必要最低限の日程・費用で復旧が可能となる。
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