多階層生体機能を解明する汎用シミュレータのヘテロ計算による高速化

• Project Area: Establishment of Integrative Multi-level Systems Biology and its Applications
• Project/Area Number: 25136711
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 萩原 兼一 大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00133140)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2014: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 汎用生体機能シミュレータ / 大規模生体モデル / 並列処理 / GPGPU / スーパーコンピューティング / ヘテロ計算

Outline of Annual Research Achievements

本領域では、生体機能の本質的理解のために、統合的多階層生体機能学推進のための基盤システムを構築し、汎用生体機能モデル記述言語PHML（Physiological hierarchy markup language）で記述した生体モデルを、シミュレータFlintを用いてシミュレーションしている。このシミュレーションは非常に多くの計算量を必要とするため、Flintの並列計算による高速化が重要である。
本研究では､昨年度までにいくつかの並列計算機環境におけるFlintの並列計算を実現した。具体的には、グラフィックスプロセッサGPU、マルチコアCPU、PCクラスタ、およびスーパーコンピュータ「京」で稼働するトランスレータ（コンパイラ）方式のシミュレータを開発した。
平成26年度は、GPUで動作するシミュレータに関して、より高速な並列計算の方法を確立した。シミュレーションに必要な計算を複数の部分に分割し、部分ごとに最適化したものを一つにマージすることで、全体をひとつとして最適化する従来手法と比較してGPUの利用効率を向上させた。
その結果、たとえば約12万心筋細胞、約460万個の微分方程式を含む心室モデルのシミュレーションを、GPU Tesla K20mを用いて従来手法では約2時間を要するところを約1時間20分に短縮し、約1.45倍の高速化を達成した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Bit-Parallel Algorithm for Searching Multiple Patterns with Various Lengths (2015)
  • Author(s): Ko Kusudo, Fumihiko Ino, and Kenichi Hagihara
  • Journal Title: Journal of Parallel and Distributed Computing Volume: Vol. 76 Pages: 49-57
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 結合重み分布を高速に計算するための並列手法''. 電子情報通信学会論文誌 (2014)
  • Author(s): 安藤翔平, 伊野文彦, 藤原融, 萩原兼一.
  • Journal Title: 電子情報通信学会論文誌 Volume: Vol. J97-D, No. 9 Pages: 1471-1480
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Accelerating ODE-based Simulation of General and Heterogeneous Biophysical Models using a GPU (2014)
  • Author(s): Tomohiro Okuyama, Masao Okita, Takeshi Abe, Yoshiyuki Asai, Hiroaki Kitano, Taishin Nomura, and Kenichi Hagihara.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems Volume: Vol. 25, No. 8 Pages: 1966-1975
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Fine Grained Cycle Sharing System with Cooperative Multitasking on GPUs (2014)
  • Author(s): Fumihiko Ino, Yosuke Oka, and Kenichi Hagihara
  • Journal Title: International Journal of Networking and Computing Volume: Vol. 4, No. 2 Pages: 50-58
  • NAID: 130004709086
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Versatile Platform for Multilevel Modeling of Physiological Systems: SBML-PHML Hybrid Modeling and Simulation (2014)
  • Author(s): Yoshiyuki Asai, Takeshi Abe, Hideki Oka, Masao Okita, Ken ichi Hagihara, Samik Ghosh, Yukiko Matsuoka, Yoshihisa Kurachi, Taishin Nomura, and Hiroaki Kitano
  • Journal Title: Advanced Biomedical Engineering, Volume: Vol. 3 Pages: 50-58
  • NAID: 130005001705
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Improving Cache Locality for GPU-based Volume Rendering (2014)
  • Author(s): Yuki Sugimoto, Fumihiko Ino, and Kenichi Hagihara
  • Journal Title: Parallel Computing Volume: Vol. 40, No. 5/6 Pages: 59-69
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Efficient Acceleration of Mutual Information Computation for Nonrigid Registration Using CUDA (2014)
  • Author(s): Kei Ikeda, Fumihiko Ino, and Kenichi Hagihara.
  • Journal Title: IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, Volume: , Vol. 18, No. 3 Pages: 956-96
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Versatile Platform for Multilevel Modeling of Physiological Systems: SBML-PHML Hybrid Modeling and Simulation (2014)
  • Author(s): Yoshiyuki Asai, Takeshi Abe, Hideki Oka, Masao Okita, Kenichi Hagihara, Samik Ghosh, Yukiko Matsuoka, Yoshihisa Kurachi, Taishin Nomura, and Hiroaki Kitano
  • Journal Title: Advanced Biomedical Engineering Volume: 印刷中
  • NAID: 130005001705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accelerating ODE-based Simulation of General and Heterogeneous Biophysical Models using a GPU (2014)
  • Author(s): Tomohiro Okuyama, Masao Okita, Takeshi Abe, Yoshiyuki Asai, Hiroaki Kitano, Taishin Nomura, and Kenichi Hagihara
  • Journal Title: IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Towards Realizing Topology Mutation for Iterative Graph Processing on a GPU (2015)
  • Author(s): Yasuaki Mitani, Fumihiko Ino, and Kenichi Hagihara
  • Organizer: the 6th GPU Technology Conference (GTC 2015)
  • Place of Presentation: San Jose, CA, USA
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-20
• [Presentation] A Parallel Algorithm for Enumerating Joint Weight of a Binary Linear Code in Network Coding (2014)
  • Author(s): Shohei Ando, Fumihiko Ino, Toru Fujiwara, and Kenichi Hagihara
  • Organizer: Proceedings of the 2nd International Symposium on Networking and Computing(CANDAR 2014)
  • Place of Presentation: Shizuoka, Japan
  • Year and Date: 2014-12-10 – 2014-12-12
• [Presentation] PACC: An Extension of OpenACC for Pipelined Processing of Large Data on a GPU (2014)
  • Author(s): Tomochika Kato, Fumihiko Ino, and Kenichi Hagihara
  • Organizer: the 27th International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC 2014)
  • Place of Presentation: New Orleans, LA, USA
  • Year and Date: 2014-11-16 – 2014-11-21
• [Presentation] PhysioDesigner and Flint: a platform for multilevel modeling of physiological systems and simulation (2013)
  • Author(s): Yoshiyuki Asai, Takeshi Abe, Hideki Oka, Masao Okita, Tomohiro Okuyama, Kenichi Hagihara, Yoshihisa Kurachi, and Hiroaki Kitano
  • Organizer: 5th International Conference on Computational Bioengineering
  • Place of Presentation: Leuven, Belgium
• [Presentation] A versatile platform for multilevel modeling of physiological systems: Template/instance framework for large-scale modeling and simulation
  • Author(s): Yoshiyuki Asai, Takeshi Abe, Hideki Oka, Masao Okita, Tomohiro Okuyama, Kenichi Hagihara, Samik Ghosh, Yukiko Matsuoka, and Hiroaki Kitano
  • Organizer: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
• [Presentation] 汎用生体モデルの高速な並列シミュレーションのための階層的依存グラフの自動分割
  • Author(s): 吉川禎, 中村亜紀, 置田真生, 安部武志, 浅井義之, 北野宏明, 野村泰伸, 萩原兼一
  • Organizer: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューテング研究会
  • Place of Presentation: 石川県七尾市
• [Presentation] GPU クラスタを用いた大規模生体シミュレーションにおける CPU・GPU 間データ転送の効率化
  • Author(s): 大越雄一, 置田真生, 安部武志, 浅井義之, 北野宏明, 萩原兼一
  • Organizer: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューテング研究会
  • Place of Presentation: 北九州市
• [Remarks] http://www-hagi.ist.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] PysioDesigner
  • URL: http://physiodesigner.org/phml/index.html
• [Remarks] 大阪大学 大学院情報科学研究科 コンピュータサイエンス専攻 並列処理工学講座 萩原研究室
  • URL: http://www-hagi.ist.osaka-u.ac.jp/