量子アニーリングが拓く高性能マテリアルインフォマティクス基盤の新展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01095
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小林 広明 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (40205480)
• 研究分担者: 撫佐 昭裕 東北大学, サイバーサイエンスセンター, 客員教授 (40639655) ; 阿部 圭晃 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (40785010) ; 岡部 朋永 東北大学, 工学研究科, 教授 (50344164) ; 佐藤 雅之 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (50781308) ; 小松 一彦 東北大学, サイバーサイエンスセンター, 准教授 (50813888) ; 大関 真之 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (80447549) ; 菊川 豪太 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (90435644)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 高性能計算 / 高分子材料設計 / 量子アニーリング / クラスタリング

研究実績の概要

高分子材料設計サブグループでは、大規模系における材料物性のデータ取得を目指し、DPD法における粒子の粗視化レベルの検討を行い、反応に与する官能基の粗視化は結果に影響することを明らかにした。また、内部に不均一相分離構造を有する大規模系でのDPD計算を実現した。加えて高効率な材料探索技術の開発のために、ベイズ推定（ガウス過程法）の高速化・高精度化を行った。高次精度流体解析手法（FR法）のベクトル計算機への実装については、単一プロセスによる実装を行なったことで大幅な高速化が達成され、大規模解析においても50%程度のStrong scalingを出すことが出来た。
高性能情報処理基盤サブグループでは、高分子材料設計サブグループと連携し、反応MDシミュレーションコードにおけるメモリー使用の効率化、領域分割法による高速化を行った。その結果、従来の並列数50までの制限をなくすことができ、64コアの実行で実行時間を20%短縮することができた。さらに、メモリ削減技術の開発も行い、メモリ使用量を1/5に削減することに成功し、より大規模なモデル実行が可能になった。
高分子材料シミュレーションの結果分析に必要なクラスタリング技術の研究開発においては、量子アニーリング(QA)を用いたクラスタリングには前処理に時間を要してしまうという問題があったが、従来の高性能計算技術（HPC）に用いられる科学技術計算ライブラリを活用する前処理方式を開発することで、QAとHPCの特徴を活かしたクラスタリング手法を実現することができた。
高分子材料設計を含めた科学技術計算プログラムにしばしば含まれる間接メモリアクセスの高速化にも取り組み、ページアドレス変換機構への負荷を削減可能なアーキテクチャ設計を行い、高性能情報処理基盤の性能向上を低いハードウェアコストで実現できることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Ising-Based Kernel Clustering (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Masahito、Komatsu Kazuhiko、Sato Masayuki、Kobayashi Hiroaki
  • 雑誌名: Algorithms 巻: 16 ページ: 214～214
  • DOI: 10.3390/a16040214
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular-scale investigation on relationship between thermal conductivity and the structure of crosslinked epoxy resin (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhao Yinbo、Kikugawa Gota、Kawagoe Yoshiaki、Shirasu Keiichi、Okabe Tomonaga
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 198 ページ: 123429～123429
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123429
  • 査読あり
• [雑誌論文] Page-Address Coalescing of Vector Gather Instructions for Efficient Address Translation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Takayashiki, Masayuki Sato, Kazuhiko Komatsu, Hiroaki Kobayashi,
  • 雑誌名: Proceedings of 2022 IEEE/ACM 12th Workshop on Irregular Applications: Architectures and Algorithms (IA3) 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Travel time optimization on multi-AGV routing by reverse annealing (2022)
  • 著者名/発表者名: Haba Renichiro、Ohzeki Masayuki、Tanaka Kazuyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-022-22704-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Threshold theorem in isolated quantum dynamics with stochastic control errors (2022)
  • 著者名/発表者名: Okuyama Manaka、Ohki Kentaro、Ohzeki Masayuki
  • 雑誌名: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 巻: 381 ページ: -
  • DOI: 10.1098/rsta.2021.0412
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Aerodynamic and Structural Simulations for Aircraft Design (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Abe
  • 学会等名: Aerospace Practitioner and Professional Engineer Lecture Series (APPELS), Department of Aerospace Engineering, Texas A&M University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Technology Innovation hub: Tohoku University (2023)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: Qubits: Complexity to Clarity
• [学会発表] Quantum Superposition and Education (2023)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: Symposium on Quantum–annealing Based HPC | Tohoku Forum for Creativity
• [学会発表] 架橋高分子材料の反応DPDシミュレーションにおける相互作用パラメータのボトムアップ探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 李 楷文, 菊川 豪太, 川越 吉晃, Zhao Yinbo, 岡部 朋永
  • 学会等名: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] Bottom-up exploration of interaction parameters in reactive DPD simulation for epoxy polymers (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaiwen Li, Gota Kikugawa, Yoshiaki Kawagoe, Yinbo Zhao, Tomonaga Okabe
  • 学会等名: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Unveiling the relationship between thermal conductivity and the structure of crosslinked epoxy resin (2022)
  • 著者名/発表者名: Yinbo Zhao, Gota Kikugawa, Yoshiaki Kawagoe, Keiichi Shirasu, Tomonaga Okabe
  • 学会等名: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Various practical applications of quantum annealing (2022)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: TSRC Workshop Scientific Applications of Quantum Annealers
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum annealing and its applications to real world-Solutions and Education- (2022)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ohzeki
  • 学会等名: 2022 Japan-Taiwan Advanced Quantum Technology Research and Development Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子アニーリングとその教育プログラムへの可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大関 真之
  • 学会等名: 第1回 国際シンポジウム：メタバース・XR技術の教育利用と国際協創
  • 招待講演