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

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25711011
• Research Institution: The 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

Outline of Annual Research Achievements

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、昨年度までに開発したプロトタイプコードの性能評価と詳細プロファイリングの実施、２、ＯｐｅｎＭＰによるスレッド並列化などのプロトタイプコードの改良を研究対象としていた。
１については、計画通り本研究室の有する４００コア程度のクラスタマシン上において真核細胞シグナル伝達系の典型的な分子濃度・拡散速度と並列計算の同期時間幅のいくつかの組み合わせについて計算を行い、並列計算のスケーリングの確認およびボトルネックの洗い出しを行った。プロトタイプコードはいずれ場合も確認した４００並列までは８０％以上の弱スケーリングを示した。これによりプロトタイプでも適切な並列計算が行われていることが示せた。またボトルネック解析の結果、並列計算上の通信プロセスはいずれもボトルネックとはならなかった。主たるボトルネックは想定通り分子の拡散計算であったが、一部の場合では各コアの計算する分子の拡散状況のばらつきによってロードインバランスが発生し、これが全体の計算速度を大きく損なっていた。
２については、ボトルネック解析の結果を反映して、スレッド並列化は行わず、代わりにペアグリーン関数の実装を行った。ペアグリーン関数はロードインバランスの原因と考えられた二つの分子が至近距離にある場合に利用される局所解析解であり、非並列型の改良グリーン関数動力学法では既に導入されていた。その結果、コードの高速化が確認され、より適切なグリーン関数の切り替え法について現在検討中である。
以上、本年度の主たる目的であるプロトタイプコードの性能解析は完了し、チューニングは順調に進展している。次年度以降このコードを用いて実際の真核細胞シグナル伝達系を計算し、性能評価とチューニングを継続していく。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度の主たる目的は昨年度までに完成され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、チューニングを行うことである。計画通り、400並列までのクラスタマシン上においてプロトタイプコードの性能検証を行い、典型的な細胞内シグナル伝達系を想定した分子濃度・拡散速度において弱スケーリングを確認した。プロファイリングの結果を受けてプロトタイプコードの改良を進めており、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、本年度までに開発したコードを用いて実際の真核細胞内シグナル伝達系のモデルを１分子粒度で計算することである。これによりコードの有用性を示すと共に実際の問題に適用した際の課題点を発見し、コードの改良を行う。これを達成するためには、第一に実用可能な計算速度を得るためにコードに十分なチューニングを行うことと、第二に構造体との衝突・反応・拡散のチューニングが必要である。第一の課題については昨年度のプロファイリングの結果に基づき小規模および大規模なアルゴリズムの改良法を検討し、一部実施しつつある。第二については実際のモデルで利用する構造体を用いてプロファイリングを行い、同様にチューニングしていく。