2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of Universal Potential Model for Plasma Material Interaction by Using Automatic Code Generation
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19K21870
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
伊藤 篤史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10581051)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | ポテンシャル / 力場 / 分子動力学 / 二体衝突近似 / プラズマ物質相互作用 / プラズマ壁相互作用 / シミュレーション / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
プラズマと物質の相互作用を理解するためには、原子スケールの挙動を知ることが欠かせない。それはプラズマと固体の極端な密度差に由来している。しかし、プラズマ照射化という状況において実験での直接的な原子挙動の観測が難しい中、シミュレーションによる研究が重要な役割を果たす。特に本分野では分子動力学(MD)、二体衝突近似(BCA)、動的モンテカルロ(KMC)といった方法が有用である。これらのシミュレーションに共通した不可欠な要素技術が、原子間相互作用ポテンシャルモデルの信頼性・再現性であり、現状ではモデルが十分に整備されておらず、元素を変えた解析というのが困難であった。
本研究の目的は、ポテンシャル関数の数式だけからMDコードを自動生成するメタコンパイラDAMAを中心に、プラズマ物質相互作用のための原子間相互作用ポテンシャルモデルを開発する道筋を示すことである。
二年度目では、まず昨年度に予想外の閃きから得た、二原子間の近距離極限のポテンシャル関数の解析的な導出(ReGZ)について詳細を整備した。さらに、高エネルギープラズマ照射を解析する二体衝突近似コードBDOGに本ReGZポテンシャルを実装するためのコード拡張に取り組んだ。また、これらについて公開準備を進めた。
低エネルギー領域におけるMD等の計算では多体ポテンシャルが重要になる。多体ポテンシャルの生成に用いるメタコンパイラDAMAに関しても、数式とコードの間の新しい変換ルールを考案することができ、より計算効率が優れたコードを生成できるようになった。
また、多体ポテンシャル向けの生成に用いる密度汎関数理論(DFT)計算に関しても、最新のベクトル型スーパーコンピュータに向けたOpenMXコードの最適化を施し、従来の約3倍の計算速度を達成した。これにより教師データを効率的に生成することができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MD等に用いる多体ポテンシャルにおいても、二体項(主に斥力項)としてReGZを用いることで、次の問題の解決が期待できる。機械学習で多体ポテンシャルの開発を行う実際上の問題は、全エネルギー値のうち二体項が大きな割合を占めるために学習時に二体項が最も変化しやすい項となる点である。それにより斥力項が現実の値から大きくずれやすい。すると低温時には再現性がよくても、高温時や衝突を伴う系では外挿性を著しく低下させる。しかし解析的に導出されて調整する必要のないReGZを二体項に用いることで、この問題を解決し、多体項の探索に注力できるようになるであろう。
ただし、ReGZが当初の研究計画にはなかったこともあり、それ以外の部分、主に多体ポテンシャル関連の課題の進みが多少遅れている。
一方で、本研究の副産物として、メタコンパイラDAMAの数式入力支援の技術を流用することで、理系研究者向けに数式を含む原稿執筆エディタを開発し、フリーソフトウェアとして公開するとともに、技術部分を学会誌記事として公開した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ReGZポテンシャルの特徴は、二元素の組み合わせ118×118組O(Z^2)に対して、パラメータの数が118組O(Z)で済むことである。このパラメータの整備についても簡易的な機械学習を用いる。そこで、本年度までに整備した計算機クラスターと、教師データを生成するためのThomas-Fermi-Dirac DFTに基づく2原子コードの整備を行い、パラメータを整備して公開する。
また、多体ポテンシャルの生成に用いるメタコンパイラDAMAに関して、数式とコードの間の新しい変換ルールに基づいたより効率的なコード生成法について詳細を整備し、公開に向けて準備を行う。
最終年度において、全ての元素に対するポテンシャルモデルの提唱を行うことは、教師データ収集の観点からも現実的ではないが、ポテンシャル開発に取り組む際の基本的な指針として、ReGZおよびDAMAを使ったフレームワークを提唱することを目指す。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス蔓延防止のために殆どの学会や研究会が中止もしくはオンライン開催になり、また他機関研究者との打ち合わせもビデオ会議が中心となった。その為、予算の使用用途を旅費から有効活用し、機械学習のデータ生成のための計算機の整備を行った。これに伴い、59119円を次年度使用額とし、2021年度の研究成果の公開に伴う費用に充てる。
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