次世代放射線シミュレーション基盤の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25246044
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 佐々木 節 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 教授 (50259983)
• 研究分担者: 村上 晃一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 研究機関講師 (10353369) ; 藏重 久弥 神戸大学, 先端融合研究環, 教授 (20205181) ; 山下 智弘 神戸大学, 医学研究科, 医学研究員 (20567086) ; 大町 千尋 名古屋市立大学, 大学院医学研究科, 研究員 (20588967) ; 阿蘇 司 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (30290737) ; 歳藤 利行 名古屋市立大学, 大学院医学研究科, 研究員 (30377965) ; 田中 覚 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60251980) ; 木村 彰徳 足利工業大学, 工学部, 教授 (60373099) ; 尾崎 正伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (90300699)
• 研究期間 (年度): 2013-10-21 – 2017-03-31
• キーワード: 放射線シミュレーション / GPU / 並列化

研究実績の概要

従前より開発を続けている放射線シミュレーションのためのツールキットであるGeant4は、C++言語で実装されている。Geant4で検証されたアルゴリズムとデータを用い、CUDA言語により新たに放射線シミュレータの開発を行っている。結果の精度に関しては、Geant4で十分検証が行われている。新たに実装したシミュレータは、MPEXSと名付けられている。Geant4とMPEXSを様々な条件下で実行し、結果が一致することを確かめた。細胞レベルにおける放射線による影響を見積もるために開発されているGeant4-DNAのほぼ全機能をCUDA言語に移植し、GPU上で実行が可能となった。こちらも、Geant4-DNAとMPEXS-DNAの結果が一致することを確認済みである。CUDAコードに様々な最適化手法を実施することにより、MPEXSおよびMPEXS-DNAの計算性能は次第に向上している。現時点におけるGeant4-DNAの実行性能は、Intel Xeon E5-2463v2 3.5GHz CPUの1コアでGeant4を実行したのと比較し、Nvidia Tesla K40c　1unitは、360倍程度の性能を得ることに成功した。新型のGPUであるP100においてもベンチマークテストを行いつつある。現時点では、K40cで最適化したコードをそのままP100で実行している。P100は、設計上K40cに3倍以上の性能が期待されるが、Geant4-DNAは、上記CPUの1コアに対して1000倍以上の性能を発揮しており、ほぼ予想通りの結果を得ることに成功している。今後、P100向けの最適化を実施することで、さらに性能の向上が期待される。今後、金ナノ粒子によるがん治療のシミュレーションに応用される予定である。

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] SLAC国立研究所/Stanford University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: SLAC国立研究所/Stanford University
• [国際共同研究] CENBG(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CENBG
• [雑誌論文] An implementation of discrete electron transport models for gold in the Geant4 simulation toolkit (2016)
  • 著者名/発表者名: S.Sakata et.al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 120 ページ: n/a
  • DOI: 10.1063/1.4972191
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] GPU Acceleration of Monte Carlo Simulation at the Cellular and DNA Levels (2016)
  • 著者名/発表者名: Shogo Okada, Koichi Murakami, Katsuya Amako, Takashi Sasaki, Sébastien Incerti, Mathieu Karamitros, Nick Henderson、Margot Gerritsen, Makoto Asai, Andrea Dotti
  • 雑誌名: Smart Innovation, Systems and Technologies 巻: 45 ページ: 323-332
  • DOI: 10.1007/978-3-319-23024-5_29
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Geant4 Monte Carlo simulation of absorbed dose and radiolysis yields enhancement from a gold nanoparticle under MeV proton irradiation (2016)
  • 著者名/発表者名: H.N.Tran et.al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 巻: 373 ページ: 126-139
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2016.01.017
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] FAST GPU MONTE CARLO SIMULATION FOR RADIOTHERAPY, DNA IONIZATION AND BEYOND (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡田正吾, Nick Henderson
  • 学会等名: GTC Technology Conference 2017
  • 発表場所: San Jose(USA)
  • 年月日: 2017-05-08 – 2017-05-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MPEXS and MPEXS-DNA (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Okada
  • 学会等名: Japan Frace workshop on computing technologies for multidisciplinary science
  • 発表場所: Lyon(France)
  • 年月日: 2017-02-14 – 2017-02-15
  • 国際学会
• [学会発表] GPUによる細胞レベルの放射線シミュレーションの高速化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡田正吾
  • 学会等名: GPU Technology Conference Japan 2016
  • 発表場所: ヒルトン東京(東京,お台場）
  • 年月日: 2016-10-05
  • 国際学会
• [学会発表] MPEXS-DNA, a GPU implementation of Geant4-DNA (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Okada
  • 学会等名: Geant4 21st Collaboration Meeting
  • 発表場所: Ferrara(Italy)
  • 年月日: 2016-09-12 – 2016-09-16
  • 国際学会