超多重並列計算機による核融合プラズマシミュレーション

1993 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 03044157
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 佐藤 哲也 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, センター長教授 (80025395)
• 研究分担者: BRACKBILL J. ロスアラモス国立研究所, 主任研究員 ; DECYK V. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校, 主任研究員 ; TROYON F. ローザンヌプラズマ物理研究所, 所長 ; DUM C. マックスプランク研究所, 主任研究員 ; ADAM J.C. パリ総合技術大学, 計算機センター, センター長 ; CARRERAS B.A オークリッジ国立研究所, 主任研究員 ; 岡本 正雄 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 教授 (70115541) ; 内田 豊 東京大学, 理学部, 教授 (90012814) ; 林 隆也 核融合科学研究所, 計算機センター, 助教授 (60156445) ; 高丸 尚教 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (20241234) ; 籐堂 泰 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (00249971) ; 堀内 利得 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助教授 (00229220) ; 渡邉 國彦 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助教授 (40220876) ; 田中 基彦 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助教授 (80167501) ; CARRERAS Benjamin Oak Ridge National Laboratory ; DUM Christian Max Planck Institute for Physics and Astrophysics ; BRACKBILL Jeremiash Los Alamos National Laboratory ; DECYK Viktor University of Calfornia, Los Angeles
• 研究期間 (年度): 1991 – 1993
• キーワード: 並列計算機 / 核融合プラズマ / シミュレーション / 演算素子 / 結合方式 / プログラム言語 / アルゴリズム / データ転送

研究概要

平成3年-5年の3年間に、延べ14名を米国・ヨーロッパに派遣し、米国から2名を招聘する事によって、現時点での超多重並列計算機の開発状況の調査、ハードウェア・ソフトウェア両面にわたる計算機アーキテクチャについての調査・検討、及び、様々なアーキテクチャのもとでの実際のプログラムのアルゴリズム構成に関する共同研究、並列計算機を用いた核融合プラズマシミュレーションコードの開発・実行に関する共同研究を行った。また、現在、国際基準化を模索しつつある並列計算機を念頭においたプログラム言語、FORTRAN90についての調査も同時に行った。以下に主な成果を列記する。
(1)これまで様々なアーキテクチャによる並列計算機が開発され、発表されてきた。その代表的な分類方式として、記憶方式によるもの、演算素子の結合方式によるもの、及び演算命令方式によるものの3種類がある。前者の2つはハードウェアの面から見た分類で、後者はソフトウェアの面から見た分類である。記憶方式による分類としては、各演算素子に専用の記憶素子を割り当てて記憶させる分散型と、どの演算素子からもアクセスできるように記憶素子を配した共有型がある。情報交換のための各演算素子間の結合方式として、格子型、蝶型、超立方体型がある。また、演算命令方式として、全演算素子に同一の命令を与え演算を実行させる単一命令型と、各演算素子が必ずしも同じ形の命令による演算を行わない複数命令型がある。
(2)並列計算機のアーキテクチャは、演算素子の演算性能、各演算素子間のデータ転送性能、データ周期性能、及び負荷分散性能等の並列処理性能に深く関わっている。大規模シミュレーションの中でも、近接のデータのみを必要とする磁気流体計算は、並列性が高く、分散記憶-複数命令型の並列計算機を用いることにより、並列性能を引き出せるものと考えられる。
(3)また、最近開発された並列計算機においては、演算素子間のデータ転送速度が、これまでに比べ10〜40倍に向上されており、しかも各演算素子が入出力専用のcpuを備えることによって、演算素子間のデータ転送速度が必ずしも深刻な問題とはならなくなった。このため、演算素子の結合方式として、これまでのデータ転送速度を意識した複雑な方式をとる必要がなくなり、単純な格子型が工学的にみて有効であることが判明した。
(4)一方、粒子シミュレーションにおいては、1ステップの計算で全ての記憶素子からの粒子データ集積と集積したデータの各演算素子への割付が必要であること、粒子と場の性質の全く異なる2種類のデータが存在し、別々に演算素子へ割付する必要があること等の理由により、これまでのアーキテクチャの下では有効な並列処理性能を引き出すことが困難となっている。また、これらの各演算素子への割付方式の指示等の作業の多くは、データの位置、負荷分散やデータ周期を意識しながら、ユーザー個人が手作業で行う必要があるなど、実際の核融合プラズマシミュレーションに用いるには、解決すべき多くの問題がある。
(5)上記の問題に対する1つのアプローチとして、最近、物理的には分散型であるが、論理的には共有型として扱うことのできる記憶素子を配した並列計算機が開発されてきている。この方式では、ユーザーが並列計算機特有のデータの位置やデータの境界を意識しなくて良くなり、より汎用性の高いものとなっている。大規模シミュレーションの実行には、今後、この方式を取り入れた超多重並列計算機の開発が望まれる。
(6)新しいプログラム言語であるFORTRAN90については、境界が重要な役割を果たす核融合プラズマシミュレーションでは、文法上の例外的表現が多すぎること、並列計算機のアーキテクチャに依存した言語を多く含んでおり、FORTRAN77等を用いて開発してきた既存のプログラム資源の移植を困難にしていること等、今後、改良すべき多くの問題を含んでいる。
なお、超多重並列計算機の開発と並行して、高速データネットワークシステム、大量データを格納するための大容量ストレージシステム、ワークステーション級の計算サーバを数10台を接続し並列処理を行う高効率コンピュータHPC及びそのための並列プログラム言語HPFの開発も進められてきていることを付記する。

研究成果

• [文献書誌] T.Hayashi: "Suppression of magnetic surface breaking by extra coils in finite beta equilibria of helical systems" Nuclear Fusion. 31. 1767-1770 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Three-dimensional particle simulation study on stabilization of the FRC tilting instability" Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. 2. 283-288 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Equilibrium beta limit and anomalous transport studies of helical systems" Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. 2. 143-150 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Rotations of bulk ions impurities in non-axisymmetric toroidal systems" Journal of The Physical Society of Japan. 60. 4146-4153 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Sato: "Role of comressibility on driven magnetic reconnection" Physics of Fluids B. 4. 450-457 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Magnetic surface breaking in three dimensional 1=2 Heriotron/Torsatron equilibria" Physics of Fluids B. 4. 1539-1546 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Field Line Diversion Properties of Finite-β Helias Equilibria" Japanese Journal of Applied Physics. 31. 2580-2584 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Simulation study of stepwise relaxation in a spheromak plasma" The Physics of Fluids B. 4. 672-682 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Watanabe: "Global Simulation of Magnetic Substorms" Plsama Physics and Controlled Fusion. 34. 2031-2037 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Todo: "Behavior of Jets from Young Objects in Large-Scale Interstellar Magnetic Fields:MHD Model of Herbig-Haro Objects in 2.5-D Simulations" Publications of the Astronomy Society of Japan. 44. 227-243 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Uchida: "A Magnetohydrodynamic Model for Herbig-Haro Objects:Magnetically Guided Shocked Flows Associated with Optical Jets from Young Stellar Objects" Publication of The Astronomical Society of Japan. 44. 245-263 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Neoclassical Flow,Current,and Rotation in General Toroidal Systems" Journal of The Physical Society of Japan. 61. 833-843 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Physical Mechanism of E-φ Driven Current in Assymetirc Troidal Systems" 核融合研究. 68. 503-510 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "High-n Helicity-Induced Shear Alfven Eigenmodes" The Physics of Fluids B. 4. 1115-1121 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Kageyama: "An global simulation of the magnetosphere with a long tail:No interplanetary magnetic field" Journal of Geophysical Research. 97. 3929-3943 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Murakami: "Macroscale Particle Simulation of Externally Driven Magnetic Reconnection" Journal of The Physical Society of Japan. 61. 849-862 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "On Relation Between Hamada and Boozer Magnetic Coordinate Systems" 核融合研究. 68. 395-403 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Effects of Fast lons and an External Inductive Electric Field on the Neoclassical Parallel Flow,Current,and Rotation in General Toroidal Systems" 核融合研究. 68. 46-57 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Todo: "Wiggled Structure of Herbig-Haro Obects:Helical Kink Instability of Jets from Young Stellar Objects" The Astrophysical Journal. 403. 164-174 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Kusano: "Energy Conversion Processes in Starting-Up Phase of Externally Driven Reconnection" Physics of Fluids B. 5. 357-364 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Usadi: "A global simulation of the magnetosphere with a long tail:Southward and northward interplanetally magnetic field" Journal of Geophysical Research. 98. 7503-7517 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.V.Bazdenkov: "On a ballistic method for doule layer regeneration in A Vlasov-Poisson Plasma" Physics of Fluids B. 5. 1057-1065 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Kageyama: "Simulation study of a magnetohydrodynamic dynamo:Convection in a rotating spherical shell" Physics of Fluids B. 5. 2793-2805 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Watanabe: "Comprehensive simulation study on local and global development of auroral arcs and field-aligned potentials" Journal of Geophysical Research. 98. 21391-407 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Ichiguchi: "Effects of net toroidal current on Mercier criterion in the Large Helical Divice" Nuculear Fusion. 33. 481-492 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Sugama: "Vlasov equation in the stochastic magnetic field" Journal of The Physical Society of Japan. 62. 514-523 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "講座 プラズマ非線形物理学とコンピュータ・シミュレーション" プラズマ・核融合学会, 108 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "計算物理学(第III部10章)" 培風館, 10 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "オーロラを取り巻く環境を視る" 数理科学, 5 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "プラズマ物理学におけるコンピュータ・シミュレーション" 倍風館, 17 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "物理学最前線31" 共立出版, 69 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Suppression of magnetic surface breaking by extra coils in finite beta equilibria of helical systems" Nuclear Fusion. 31. 1767-1770 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Three-dimensional particle simulation study on stabilization of the FRC tilting instability" Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. 2. 283-288 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Equilibrium beta limit and anomalous transport studies of herical systems" Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. 2. 143-150 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Rotations of bulk ions impurities in non-axisymmetric toroidal systems" Journal of The Physical Society of Japan. 60. 4146-4153 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Sato: "Role of comressibility on driven magnetic reconnection" The Physics of Fluids B. 4. 450-457 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Magnetic surface breaking in three dimensional 1=2 Heriotron/Torsatron equilibria" The Physics of Fluids B. 4. 1539-1546 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi: "Field Line Diversion Properties of Finite-beta Helias Equilibria" Japanese Journal of Applied Physics. 31. 2580-2584 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.Horiuchi: "Simulation study of stepwise relaxation in a spheromak plasma" The Physics of Fluids B. 4. 672-682 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Watanabe: "Global Simulation of Magnetic Substorms" Plsama Physics and Controlled Fusion. 34. 2031-2037 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Todo: "Behavior of Jets from Young Objects in Large-Scale Interstellar Magnetic Fields : MHD Model of Herbig-Haro Objects In 2.5-D Simulations" Publications of the Astronomy Society of Japan. 44. 227-243 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Uchida: "A Magnetohydrodynamic Model for Herbig-Haro Objects : Magnetically Guided Shocked Flows Associated with Optical Jets from Young Stellar Objects" Publications of the Astronomy Society of Japan. 44. 245-263 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Neoclassical Flow, Current, and Rotation in General Toroidal Systems" Journal of The Physical Society of Japan. 61. 833-843 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Physical Mechanism of Ephi-Driven Current in Asymmetric Toroidal Systems" *****. 68. 503-510 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "High-n Helicity-Induced Shear Alfven Eigenmodes" The Physics of Fluids B. 4. 1115-1121 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Kageyama: "A global simulation of the magnetosphere with a long tail : no interplanetary magnetic field" Journal of Geophysical Research. 97. 3929-3943 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Murakami: "Macroscale particle simulation of externally driven magnetic reconnection" Journal of The Physical Society of Japan. 61. 849-862 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "On Relation Between Hamada and Boozer Magnetic Coordinates Systems" *****. 68. 395-403 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Nakajima: "Effects of Fast Ions and an External Inductive Electric Field on the Neoclassical Parallel Flow, Current, and Rotation in General Toroidal Systems" *****. 68. 46-57 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.V.Bazdenkov: "On a Ballistic Method for Double Layer Regeneration in a Vlasov-Poisson PLasma" The Physics of Fluids B. 5. 1057-1065 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Ichiguchi: "Effects of net toroidal current on Mercier criterion in the Large Helical Device" Nuclear Fusion. 33. 481-492 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Sugama: "Vlasov Equation in the stochastic magnetic field" Journal of The Physical Society of Japan. 62. 514-523 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Todo: "Wiggled Structure of Herbig-Haro Objects : Helical Kink Instability of Jets from Young Stellar Objects" The Astrophysical Journal. 403. 164-174 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Kusano: "Energy Conversion Processes in Starting-Up Phase of Externally Driven Reconnection" The Physics of Fluids B. 5. 357-364 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Usadi: "A Global Simulation of the Magnetosphere with a Long Tail : Southward and Northward Interplanetary Magnetic Field" Journal of Geophysical Research. 98. 7503-7517 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.Kageyama: "Simulation Study of a Magnetohydrodynamic Dynamo : Convection in a Rotating Spherical Shell" The Physics of Fluids B. 5. 2793-2805 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Watanabe: "Comprehensive Simulation Study on Local and Global Development of Auroral Arcs and Field-Aligned Potentials" Journal of Geophysical Research. 98. 21,391-21,407 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より