真核細胞の信号伝達系まるごとシミュレーションのためのグリーン関数反応動力学法開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25711011
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 高橋 恒一 独立行政法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (20514508)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 並列計算 / シグナル伝達系 / 反応拡散 / グリーン関数

Research Abstract

本研究課題は真核細胞シグナル伝達系の１分子粒度反応拡散シミュレーションを可能にする新規並列計算技術の開発を目的とする。本年度の実施計画では１、プロトタイプコードの完成、２、反応アルゴリズムの決定と実装、３、境界条件処理を研究対象としていた。
１については、計画通りＭＰＩを用いた分散メモリ並列計算のプロトタイプコードを完成させており、次年度にむけて予備的なプロファイリングを始めている段階である。現時点でも実問題を対象とした条件で並列計算による高速化が実現されており、次年度以降のチューニングで高い並列性能の実現が期待できる。
２についても、１次及び２次反応について試験的な実装を行い、正しく計算が行われていることを確認した。１次反応については計画時の設計に加え、プロセス間同期直前に予め反応の可否を決定しておくことでより高速な計算が可能である事を確認した。次年度以降、２次反応についても同様の方法による拡張を検討する。
３については、２次元平面や１次元物体等の構造体の実装を行った。これら構造体上の反応拡散、構造体への結合・かい離・反射はブラウン動力学法上の反応として実装された。プロトタイプコード上でこれらの動作を確認しており、複雑な形状の細胞膜やフィラメント・ＤＮＡ等の表現が可能となった。より高速な計算を可能とするグリーン関数の導出・評価コードの開発については、今年度は基本的な拡散のみに留め、次年度以降で詳細プロファイルの結果と照らし合わせボトルネックとなっているものから優先的に導入する計画である。
以上、本年度の主たる目的であるプロトタイプコードの開発は計画通り完成できた。次年度以降このコードを基盤として性能検証とチューニングを行い、実問題（シグナル伝達経路）の計算を行っていく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画に記載された本年度の主たる目的は、並列化手法、反応拡散、構造体を含むプロトタイプコードの完成である。プロトタイプコードは計画通り開発され、正しく動作し、現状でも並列化による高速化を確認した。この成果は次年度以降の性能検証、詳細プロファイリング、チューニングを行うに十分なものであり、計画通りに研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

次年度の主たる目的は当初の計画通り、第一に本年度開発したプロトタイプコードの性能検証、詳細プロファイリングとそれを反映したチューニングである。第二にＯｐｅｎＭＰによるスレッド並列化を行い、ＭＰＩによるプロセス並列とのハイブリット並列化を実現する。次年度研究費の用途としては計画通り、主に性能検証とプロファイリングの専門ベンダーへの委託費に用いる予定である。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

購入予定であった書籍の納期が年度中に間に合わないことが直前で明かになったため。
書籍の購入に当てる予定である。