2019 Fiscal Year Annual Research Report
Unification of computational statistics and measurement technology by massively parallel machine
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19H04125
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
星 健夫 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (80272384)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福島 孝治 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (80282606)
望月 出海 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (30579058)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超並列計算 / 計算統計 / 陽電子回折 / モンテカルロ法 / ベイズ推定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究の最終目的は，超並列マシン（スーパーコンピュータ）による計算統計を理論基盤として，データ解析革新による先端測定技術開発である．本課題では先駆例として，物質表面の原子スケール構造測定手法である陽電子回折実験を取り上げた．当該実験は現在，KEK物構研でのみ実施できる．計算科学・計算統計学・実験科学研究者からなる，融合チームで実施している． 学術的「問い」は，これまで「熟練研究者の知見・試行錯誤」が必要だった測定データ解析作業を置き換える，高速・高信頼なデータ解析アルゴリズムを構築することである．
本年度の成果は，以下である;(1) グリッド型大域探索・反復型局所最適化の2種アルゴリズムの組み合わせを中核として，解析プログラム開発した． (2) 開発されたプログラムを用いて，複雑多層表面構造系であるSi4O5N3/6H-SiC(0001)-(√3×√3)R30°系などの実験データ解析を行い，予備的結果として表面構造を得た． (3) 要素技術となる高速数値計算手法発展として，固有値問題の高速・高信頼数値解析法（特に後処理型精度保証計算法）のアルゴリズム開発を行い，その有用性を確認した．(4) 高精度な測定データの提供を担保する基盤整備として，超高真空を維持したまま試料輸送できるロードロックシステムを陽電子回折実験装置に導入した．これにより本プログラムを試用・利用しているユーザーからの高品質な試料提供に対応できるようになった．(5) ポピュレーション型モンテカルロ法をベイズ推定に活用することにより，大規模並列計算によるノイズの推定やベイズ因子の計算への道筋をつけた．
さらに研究発展に向け，下記研究会を共催した；「データ駆動科学と次世代計算科学 」2019年年7月8日，東京大学（https://sites.google.com/view/ddshpc2019/）
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1) プログラムは，2種言語(Python・Fortran)の複合プログラムとして開発され，予想以上に，高速性と使いやすさが両立できていることが確認された．具体的な超並列計算としては，スーパーコンピュータOakforest-PACSの2048ノード(全体の1/4)の計算までが行われ，高い並列効率(強スケーリング型並列効率が97%)が得られた．(2) 波及として，解析プログラムが，東大物性研2020年度「ソフトウェア開発・高度化プロジェクト」の対象ソフトに選定された(「二次元物質構造解析むけ実験データ解析の高度化」;https://www.pasums.issp.u-tokyo.ac.jp/news/802)．これにより，本課題の学術的成果を速やかに普及させる見通しが立った．
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| Strategy for Future Research Activity |
あらかじめ予見されたことであったが，データ解析を通じて，実験装置・測定試料などに由来する不確かさの数理的取り扱いの重要性が，顕在化してきた．これにより，モンテカルロ(サンプリング計算)型ベイズ推定へのニーズが再確認され，次年度への課題となった．
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