Multiscale Information Processing

今日、実験技術の精緻化に伴って、簡単なモデルでは、もはや解釈や結論を出し得ない構造データや物性予測が次々と提出されている。こうした状況を考えると、原子階層での化学反応シミュレーションとそれと調和した統計理論の必要性は万人の認めるところである。実際、近年の実験・理論両面からの革新的成果から、短時間スケールや微小空間領域において自然がもつ、巨視的世界から見ると“非常識”な不思議な振る舞いが次々と明らかにされている。こうしたスケールでは明らかに原子が主役であり、その集団ダイナミクスの“妙”を理解することが急務となっている。つまりニュートン方程式を単に解くだけでは理解できず、ボルツマン方程式や流体力学方程式を直接当て嵌めるのにも無理があるような時空スケール現象が問題となってきている。

我々は、シミュレーション技法としての並行コンピューティング技術と再構成技法という計算機科学の技術を駆使し、凝集化学反応系に対して適用可能なQM/MM‐MDシミュレーション実行環境を完成すると共に、大規模原子情報の疎視化理論の構築を実現して、新物質・新材料の開発指針確立のための実用的基盤と知的資産の形成に貢献する。

QM/MM‐MDシミュレーションIFの開発の並行コンピューティングの実現

凝集化学反応系の非経験的(ab initio)分子動力学（MD）シミュレーションを可能とするために、ab initio分子軌道（MO）法とMD法とを連携させるためのインターフェイス、QM/MM-IFを開発する。また、或る熱力学的状態に対応する一つの初期位相分布から選ばれた多数の初期条件群のMD計算を、複数のCPU(あるいはノード)で並行して実行させるアンサンブルMD(EMD)法を開発する(図1)。さらにその計算結果を高速ネットワーク（あるいは高速バス）によって集約し、統計情報の時間空間変化をリアルタイムで追跡することを可能にする並行コンピューティングを実現する(図2)。

図1 アンサンブルMD（EMD）法のイメージ図。フラスコで象徴された"一つの分布"から選ばれた"一組の初期条件"に対して実行される"一本のＭＤトラジェクトリ"を"一本のフィルム"で表わしている。

図2 並行コンピューティングの概念図。EMD構成要素の非同期通信過程への分割と統合。

【参考文献】T.Okamoto, K.Yamada, Y.Koyano, T.Asada, N.Koga, M.Nagaoka, Journal of Computational Chemistry, Article first published online: 14 OCT 2010, DOI: 10.1002/jcc.21678

MDシミュレーション･データの疎視化理論と再構成技法の開発

QM/MM-MDシミュレーションを具体例に適用して大規模原子運動情報（個別原子の位置･運動量の時系列データ）を求め、微小時空間の疎視化窓における有限長時空間データから得た時空数密度分布を得る。これを入力初期分布とする体系的時空分布再構成技法を開発する。実行例として、図3に水溶液中ＨＦ分子の振動緩和過程に対して本手法を適用して得た水溶媒系の密度分布を示した。図3(左)と図3(右)には、それぞれ初期分布と最適分布の三次元表現を示したが、最適分布図3(右)の解像度に相当する初期分布を、ＭＤシミュレーションの元データのみから得ようとすると、図3(左)を描くために必要とした初期データの数十倍が必要である。この再構成技法は、時間空間分布解析の計算コストを実効的に低減できるため、将来、ペタ級実演算性能を利用した凝集反応系マルチスケールシミュレーション実現の際には、さらに数桁上の実効性能を得る基盤技術として供する可能性がある。

図3 (左) 励起後経過時間0.3psにおけるＯ原子の原密度空間分布（L = 13.6Å、解析時空窓( dx・dt=0.42Åx0.42Åx0.42Åx0.1ps) (励起後経過時間t = 0.3ps )、32x32x32グリッドポイント）、(右) MEMによるＯ原子の再構成密度空間分布（L = 13.6Å、解析時空窓( dx・dt=0.42Åx0.42Åx0.42Åx0.1ps) (励起後経過時間t = 0.3ps ) 、32x32x32グリッド、点拡がり関数半径0.8グリッド）（見易さのために、第一溶媒和層のＯ原子（第一ピークに対応）は省略してある。）

【参考文献】T.Okamoto and M.Nagaoka, Chemical Physics Letters, 407, 444 (2005)