| 研究課題/領域番号 |
21K11923
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分60100:計算科学関連
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
渡辺 宙志 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (50377777)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | 分子動力学法 / 非ニュートン流体 / 高分子 / SIMDベクトル化 / ドメイン固有言語 / DSL / 領域分割 / ロードインバランス / 並列化 / ロードバランシング / 計算物理 / 複雑流体 / ハイパフォーマンス・コンピューティング / コード自動生成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
「富岳」に代表されるように、我が国では大規模な計算資源を保有している一方、その計算能力を十全に活かすには高度な計算機科学の知識が要求され、計算科学との両立が困難であるという背景があった。本研究は、特に大規模分子動力学法に向けたフレームワークを構築することで、数値計算を実行する研究者が自分でコードを開発する環境を提供し、計算機科学と計算科学の分断を緩和しようとするものである。特に、並列計算機を扱うにあたって通信部分と計算部分の密結合を分離することで、研究者が本質的なプログラミングに集中し、研究成果へとつなげることを期待する。具体的な応用例として、高分子や気液混相流への適用を目指す。
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| 研究実績の概要 |
複雑流体の例として、ビーズスプリングモデルにて高分子や両親媒性分子を表現したモデルを作成し、両親媒性分子が作る二重膜の揺らぎの解析、及び二原子分子からなる溶媒の気液共存領域及び粘性応答について調べた。溶媒中に両親媒性分子によって二重膜を形成させ、その揺らぎのフーリエスペクトルを調べることで、その二重膜の揺らぎが温度によって界面張力支配から弾性支配に変化することを見出した、これは水と油の界面に両親媒性分子によって単層膜を形成させた研究の発展となっており、単層膜と同様に温度によってクロスオーバーが見えること、さらに二重膜の方が弾性の影響が強く「硬い」膜であることが明らかとなった。これは生体膜においては弾性の影響が強いという観測事実と整合的でありつつ、条件次第では界面張力の影響も見えることを示唆する。二原子分子の気液共存計算では、原子をつなぐバネ定数が強くなるほど気液臨界点が高温にシフトすることがわかった。これはバネ定数が強くなることで、二原子分子が剛体に近づき、分子間相互作用のエネルギースケールが大きくなるからであると理解できる。粘性応答の研究では、二原子分子からなる液体にシアをかけることで、その応答に非線形が現れるかを調べた。これはせん断増粘現象など、非ニュートン流体的な振る舞いが簡単なモデルから再現されることを目指したものだが、分子の相互作用により粘性率は大きく変化したものの、その振る舞いはニュートン的であった。非ニュートン的な振る舞いを得るには、より長い分子を調べる、もしくは溶媒中に溶質が存在するような水溶液系を調べる必要があることがわかった。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
複雑流体を手軽にシミュレーションするフレームワークの開発は未完成であるものの、多くの複雑流体の振る舞いが非常に簡単なモデルから再現できること、さらにそれが大規模な計算によって初めて明らかにできることを見出した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、より簡便に大規模かつ複雑な流体の計算を実行できる環境の構築を整備する。さらに、x86系やAArch64のみならず、MN-Coreのようなローカルメモリを持つアーキテクチャについて分子動力学法の実装がどうあるべきかについて調査を進め、コード生成システムを開発する。
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