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2013 年度 実績報告書

計算量子科学のニーズに対応した高性能固有値計算アルゴリズムの開発

公募研究

研究領域コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス
研究課題/領域番号 25104701
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

研究機関筑波大学

研究代表者

櫻井 鉄也  筑波大学, システム情報系, 教授 (60187086)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
キーワード大規模固有値解析 / 計算アルゴリズム / 高性能計算
研究概要

本研究では、コンピュータシミュレーションによる物質の設計・解析において現れる大規模な固有値問題を対象として、これらの分野において高速化や安定化のニーズの強い各種の問題の高性能な数値計算手法の開発を行うことを目的とする。計算量子科学分野で現れる各種の問題に対して、(1) 階層型固有値解法によるバンド構造計算法の高性能化と非直交基底への拡張、(2) 確率的推定法を利用した状態密度計算法の開発、(3) アプリケーションに組み込むことを想定したソフトウェアの実装、(4) 実問題を対象としたベンチマークによる性能評価と改善へのフィードバック、を実施する。
階層型固有値解法を利用したバンド構造計算法の高性能化については、実空間密度汎関数法RSDFTを対象として、京コンピュータでの高性能化を目指し、Krylov部分空間のシフト不変性を用いた計算量削減や行列ベクトル積の高速化によって解法の高性能化を進めた。確率的推定法を利用した状態密度計算法の開発については、行列トレースのstochasticな推定法を用いた固有値分布推定法を、解法の持つ高い並列性を有効に利用する解法として実装した。これを用いてシリコンナノワイヤー4万原子規模のバンド図を求めることができた。アプリケーションに組み込むことを想定したソフトウェアの仕様検討については、RSDFTに加えて、オーダーN法第一原理計算プログラムCONQUEST、超大規模電子構造計算ソフトウェアELSESを対象として固有値解析エンジンの組み込みの検証を進めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題で設定した本年度の実施課題は、おおむね計画通りに実施することができた。特に京コンピュータ向けの実装を行い、大規模計算環境での性能評価に着手した。確率的推定法を利用した状態密度計算法の開発では、GPUやIntel Phiなどのメニーコア環境での高性能化については、疎行列計算の高性能化手法の検討に留まり、実装を含む性能評価は今後の課題である。

今後の研究の推進方策

平成25年度に京コンピュータ向けの高性能実装を進めることができたため、その成果を利用して、各種の実アプリケーションへの組み込みや実問題での性能評価を進める予定である。特にオーダーN法第一原理計算プログラムCONQUESTを対象として並列実装を行い、大規模問題を対象として開発手法の性能評価を行う。また、GPUやIntel Phiなどのメニーコア環境での高性能化技術の開発についても引き続き実施する。計算量子科学分野の研究者との分野横断的な研究協力を広げ、応用分野でのニーズに応じた物理量計算手法の開発を行うことを目指す。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2013 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] A Weighted Block GMRES method for solving linear systems with multiple right-hand sides2013

    • 著者名/発表者名
      Akira IMAKURA, Lei DU, Hiroto TADANO
    • 雑誌名

      JSIAM Letters

      巻: 5 ページ: 65~68

    • DOI

      10.14495/jsiaml.5.65

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 残差最小性に基づくKrylov部分空間反復法に対する疎行列用直接解法を用いた前処理のパラメータ推定2013

    • 著者名/発表者名
      山崎 育朗, 今倉 暁, 多田野 寛人, 櫻井 鉄也
    • 雑誌名

      日本応用数理学会論文誌

      巻: 23 ページ: 381~404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An Efficient Variant of the Restarted Shifted GMRES Method for Solving Shifted Linear Systems2013

    • 著者名/発表者名
      Akira IMAKURA, Tomohiro SOGABE and Shao-Liang ZHANG
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical Research with Applications

      巻: 33 ページ: 127~141

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical construction of a low-energy effective Hamiltonian in a self-consistent Bogoliubov-de Gennes approach of superconductivity2013

    • 著者名/発表者名
      Yuki Nagai, Yasushi Shinohara, Yasunori Futamura, Yukihiro Ota and Tetsuya Sakurai
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 82 ページ: -

    • DOI

      10.7566/JPSJ.82.094701

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multi-GPU scalable implementation of a contour-integral-based eigensolver for real symmetric dense generalized eigenvalue problems2013

    • 著者名/発表者名
      T. Yano, Y. Futamura, T. Sakurai
    • 雑誌名

      Proceedings of 8th International Conference on P2P, Parallel, Grid, Cloud and Internet Computing (3PGCIC-2013)

      巻: なし ページ: 121~127

    • 査読あり
  • [学会発表] Conjugate gradient type methods for shifted linear systems with multiple right hand sides

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Futamura
    • 学会等名
      The 9th East Asia SIAM Conference - The 2nd Conference on Industrial and Applied Mathematics
    • 発表場所
      The Newton Hotel (Indonesia)
  • [学会発表] 周回積分型固有値解法に対するBlock Krylov部分空間に基づく新解釈

    • 著者名/発表者名
      今倉暁
    • 学会等名
      2013年並列/分散/協調処理に関する 『北九州』サマー・ワークショップ(SWoPP北九州2013)
    • 発表場所
      北九州国際会議場 (福岡)
  • [学会発表] 周回積分を用いた並列固有値解法に基づく固有値解析エンジンの実装

    • 著者名/発表者名
      二村保徳
    • 学会等名
      2013年並列/分散/協調処理に関する 『北九州』サマー・ワークショップ(SWoPP北九州2013)
    • 発表場所
      北九州国際会議場 (福岡)
  • [学会発表] 周回積分を用いた並列固有値解法に対するパラメータ設定について

    • 著者名/発表者名
      前田恭行
    • 学会等名
      日本応用数理学会2013年度年会
    • 発表場所
      アクロス福岡 (福岡)
  • [学会発表] 疎行列向け直接解法に基づく定常反復法および前処理としての有効性

    • 著者名/発表者名
      今倉暁
    • 学会等名
      環瀬戸内応用数理研究部会 第17回シンポジウム
    • 発表場所
      愛媛大学 (愛媛)
  • [学会発表] Rayleigh-Ritz法に基づく周回積分型固有値解法の精度解析

    • 著者名/発表者名
      今倉暁
    • 学会等名
      Kunitachi One-Day Symposium on Applied Mathematics and Related Topics
    • 発表場所
      一橋大学 (東京)
  • [学会発表] z-Pares: A complex moment based hierarchical parallel eigen- solver package

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Futamura
    • 学会等名
      International Workshop on Eigenvalue Problems: Algorithms; Software and Applications, in Petascale Computing (EPASA2014)
    • 発表場所
      EPOCHAL TSUKUBA (Tsukuba)
  • [学会発表] 疎行列向け直接法に基づく重み付き定常反復法

    • 著者名/発表者名
      今倉 暁
    • 学会等名
      新学術領域研究「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度 第2回研究会
    • 発表場所
      東京大学 (東京)
  • [学会発表] 複数右辺ベクトルを持つ連立一次方程式に対する双共役残差型アプローチに基づく高精度Block Krylovアルゴリズムについて

    • 著者名/発表者名
      多田野 寛人
    • 学会等名
      新学術領域研究「コンピューティクスによる物質デザイン:複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度 第2回研究会
    • 発表場所
      東京大学 (東京)

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公開日: 2015-05-28  

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