理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS） 見聞録：理化学研究所 神戸地区 一般公開2023 R-CCS わくわく「富岳」 その00
2023年07月12日、私は見学者として、理化学研究所 計算科学研究センター（以下R-CCS，図00．01，図00．02，[1]）を訪れた。
「発展の塔」はR-CCSへの来客を歓迎している（図00．03，[2]）。
R-CCSはスーパーコンピュータ「京」（図00．04）と「富岳」（図00．05）で有名である。
前者は2012年06月に全体が完成し、様々な分野のシミュレーションで力を発揮した。例えば、医療分野では、心臓の多くの細胞の中にある1個1個の分子の働きに基づいて、前者の中にまるごとの心臓を再現した。この心臓は、心臓病の治療法や予防法を研究する目的でつくられたものである。また、エネルギーの分野では、スマートフォンなどに使われるリチウムイオン電池の中の原子の動きを再現し、より安全で性能のよい電池をつくるために必要な知識を得ることができた（[3]）。
一方、後者は2014年から、前者の後継機として開発が進められ、2021年03月に共用が開始された。その特徴は、専用プログラムを組まなくても一般的な汎用ソフトが動くことで、シミュレーション、ビッグ データ、および、人工知能（artificial intelligence：AI）など、幅広いアプリケーション ソフトウェアで最高性能を発揮するように設計されている。また、中央演算処理装置（Central Processing Unit：CPU）には世界中のスマートフォンやゲーム機に搭載されているCPUと同様、Arm社仕様の命令セットが採用されているので、それらのソフトウェアすらそのまま、そして何十倍も高速に動き、後者用に開発された技術（「富岳」テクノロジー）と後者から生まれた成果の両方が世界中に普及し、さまざまな場面で活用されることが期待される。後者に搭載されているA64FXは、Arm社が制定した仕様で、スマートフォンなどにも使われる命令セットを高性能計算技術（High Performance Computing：HPC）用に拡張した世界初のCPUである（図00．06）（[4]）。
それどころか、後者は、完成前の2020年04月に、新型コロナウイルス感染症（COronaVirus Infectious Disease, emerged in 2019：COVID-19）の治療薬の探索、ならびに、飛沫の広がりのシミュレーションを実施したことで、COVID-19の研究だけでなく、感染対策の実施にも貢献した（[5]）。
R-CCS 計算機棟の2階は電力・冷却設備で、3階は「富岳」の設置された計算機室である（図00．07，[6]）。
1階には「富岳」データインフラ室があり、そこで「富岳」の計算に必要なデータや計算後のデータを一時的に保管するためのストレージ装置などが設置されている（図00．08）。
2020年06月23日、「富岳」は、世界のスーパーコンピュータに関するランキングの、①「TOP500」、②「HPCG（High Performance Conjugate Gradient）」、③「HPL-AI」、④「Graph500」の全てにおいて、第2位に大きな差をつけて、第1位を獲得したことを理化学研究所は発表した。また、①「TOP500」、②「HPCG」、④「Graph500」で同時に世界1位を獲得するのは世界初となった（図00．09，[7]）。
そして、2023年05月22日、「富岳」は、世界のスーパーコンピュータに関するランキングの、「HPCG（High Performance Conjugate Gradient）」、「Graph500」において7期連続の第1位、「TOP500」で第2位、「HPL-MxP」で第3位を獲得したことを理化学研究所は発表した（[8]）。
デジタルツイン（DigitalTwin）とは、現実の世界から収集した、様々なデータを、まるで双子であるかのように、コンピュータ上で再現する技術のことであるが、2023年01月24日、R-CCSは「富岳」を活用した研究成果や利活用に関する取り組みを紹介するシンポジウム「「富岳」EXPANDS ～可能性を拡張する～」をKDDI大手町ビルにて開催し、シミュレーション、ビッグデータ、および、AIの融合による高度なデジタルツインの実現を目指す各分野の最先端研究や今後の展望を紹介するセッションやパネルディスカッションを催した。その内容は「富岳」や今後のHPCが想像を超えたイノベーションを生み出し、日本社会を牽引していくために何が必要かを議論するものとなった（[9]，[10]）。
「富岳」を利用する研究は多数発表されている（[11]）が、本記事では『サイエンスZERO』「計算で切り開く新時代！スーパーコンピューター富岳」（初回放送日2023年09月24日）で言及されたものを紹介する（[12]，[13]）。
1．市村強 教授（東京大学地震研究所 計算地球科学研究センター センター長、以下敬称略）らは「富岳」を用いて、関東平野を含むエリアを対象として震源から構造物までを一気通貫にシミュレーションすることに挑戦し、成功した。そこには、「富岳」がデータサイエンスとシミュレーションの融合に適したコンピュータだという特性を存分に生かす工夫が盛り込まれている。
また、市村らは、南海トラフのシミュレーションにも挑んだ。このシミュレーションでは、確率有限要素法という計算法が用いられた。この計算法では、１回の計算で分布をもった結果が得られる。計算したエリアは日本列島全体をカバーする東西2,496 km×南北2,496 km×深さ1,101 kmで、計算の規模は約32兆自由度である。市村の計算は、従来の最速記録の224倍の速さを誇っている。これだけ大規模な計算を速くできたのは、「富岳」を巧く使い、細かい格子による計算をきちんと実行できるようにしたためである（[14]）。
2．分子シミュレーションと心臓シミュレーションの融合に関する研究で、株式会社UT-Heart研究所は「富岳」の能力を活かし、ミオシン分子をアミノ酸レベルの解像度をもつ粗視化分子シミュレーション モデル（京都大学・高田彰二教授開発のCafeMol）に置き換え心臓モデルと連成させている。これにより遺伝子変異と病態の間にこれまでブラック ボックスとして存在していた因果関係のメカニズム機序の解明に切り込むことができ、ひいては肥大型心筋症などの難病の解明や治療法の開発に繋がると考えられる（[15]）。
3．2022年02月04日、北翔大学、神戸大学、および、理化学研究所は、「富岳」によるまるごと空力シミュレーションの記者勉強会（プレスリリース）を催した。この共同研究グループでは、実際のスキー ジャンパーの姿勢変化をモーション キャプチャし、踏切から着地までの一連の動作をまるごと再現した空力シミュレーション技術を研究開発してきた。この度、北翔大学と理化学研究所の共同研究により、このシミュレーション システムを「富岳」に実装し、より高精度かつ高速に結果を得ることができるようになった。ここではその一例として、北京冬季オリンピック代表の小林陵侑選手（スキージャンプ・ワールドカップ総合優勝者、2018-19シーズン)と他のジャンパーを比較することで、小林選手のジャンプの特徴を説明した（[16]）。
4．2022年10月13日、TOTO株式会社は、「富岳」を利用して実施した研究「微細気泡および飛沫を含む気液二相流シミュレーションの住宅設備機器適用」で、「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ（HPCI）利用研究課題優秀成果賞」を受賞した。
今回受賞した研究は、衛生陶器以外の水まわり商品の開発に高精度流体シミュレーションを適用させるためのものである。TOTOの独自ソフトウェアを「富岳」に最適化させることなどにより、衛生陶器を大きく上回る計算量が必要なシャワーなどの水栓金具からの吐水や、浴室床の水はけのシミュレーションが、現実的な計算時間で実施できることが実証できた（[17]）。
5．理化学研究所（理研）R-CCS HPC／AI駆動型医薬プラットフォーム部門 バイオメディカル計算知能ユニットの德久淳師 上級研究員、奥野恭史 ユニットリーダー（HPC／AI駆動型医薬プラットフォーム部門部門長）らの共同研究チームは、タンパク質立体構造推論ソフトウェア「OpenFold」を「富岳」へ実装し、高速化手法の開発により、超並列環境における高スループット性の達成に成功した。「富岳」実装版「OpenFold」は、2023年06月21日より、理研R-CSSよりオープンソース ソフトウェアの形で創薬研究者などへ広く提供され、今後、大量のアミノ酸配列からタンパク質立体構造を高速に推論することが可能になる。
本研究成果は、構造未知のタンパク質立体構造の大規模高速推論を可能とし、分子レベルの知見を通してゲノム医療や次世代創薬への貢献が期待できる（[18]）。
6．2021年02月16日、国立大学法人 東北大学 災害科学国際研究所、国立大学法人 東京大学 地震研究所、および、株式会社 富士通研究所は、国立研究開発法人 理化学研究所と富士通株式会社で共同開発した「富岳」を活用して、沿岸域の津波浸水を高解像度かつリアルタイムに予測するAIモデルの構築に成功したことを、東北大学 災害科学国際研究所は発表した。
「富岳」により多数の高解像度津波シミュレーションを実施し、そこから得られた沖合での津波波形と沿岸域の浸水状況を教師データとして、今回新たなAIモデルを構築した。構築したAIモデルに、地震発生時に沖合で観測される津波波形を入力することで、津波到達前に沿岸域の浸水状況を3 m単位の高い空間解像度で予測することが可能となる。これにより、臨海都市域での建物や構造物、道路などの社会インフラの影響を取り入れた、局所的な津波の高まりなど、区画ごとの詳細な浸水予測情報を把握でき、より適切な避難行動を支援できる。また、「富岳」を用いて事前に学習したAIモデルは、一般的なパソコン上でも数秒で実行することが可能なため、これまでスーパーコンピュータが必要だったリアルタイム浸水予測システムの構築が大幅に容易になる（[19]）。
「富岳」の活用が始まって3年が経過している。製品開発などの企業利用は222社で、先代「京」の8年分を抜き、約2.7倍のペースとなっている。計算速度では一時、世界首位に立ったとはいえ、AIの開発に使いにくく、後継機の課題となる（[20]）。
文部科学省は既に「富岳」の次のスーパーコンピュータの検討を開始しており、今年度「富岳」NEXTのためのフィジビリティ スタディ（feasibility study：FS、実行可能性や採算性などを調査する）の公募を開始し、07月に採択された4つのチームを公表した（応募は7件）。このFSは2022年08月から開始され2023年度まで行われる（[21]）。
一方、2023年10月05日、理化学研究所（理研）量子コンピュータ研究センター（RQC）は、2023年03月27日にクラウド利用を開始した国産超伝導量子コンピュータ初号機の愛称を「叡（えい、英語表記は"A"）」に決定したことを発表した。
「叡」は聡明さを表し、量子コンピュータの情報処理における卓越性・先進性を表すとともに、英語名をアルファベット順の最初の文字である"A"とすることで、当該機がRQCにとっての、また国産量子コンピュータ初号機として日本にとっての、量子コンピュータ実機開発の第一歩であることも表現している（[22]）。
私は見学者としてR-CCSを訪れ、かつ、『サイエンスZERO』「計算で切り開く新時代！スーパーコンピューター富岳」を視聴することで、「富岳」、および、それを用いた最新研究を知ることができた。
また、「富岳」と「富岳」NEXT、ならびに、「叡」が切り開くだろう未来に関心を抱くようになった。
この意味では、私にとって、R-CCSの訪問は有意義なものとなっている。
余談だが、2023年度 理化学研究所 神戸事業所の一般公開（2023年11月03日開催）で、「わくわく「富岳」計算科学研究センター（R-CCS）」、即ち、スーパーコンピュータ「富岳」見学ツアーが催されるが、10月12日時点で既に定員に達してしまった（[23]）。しかし、ガラス越しとはいえ、私は「富岳」を見学できた（[24]）。結果として、本記事が『理化学研究所 神戸地区 一般公開2023 R-CCS わくわく「富岳」』の前日譚になってしまったわけである。
参考文献
[1] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“計算科学研究センターとは”．理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS） トップページ．https://www.r-ccs.riken.jp/about/，（参照2024年02月24日）．
[2] アプライド株式会社．“理化学研究所計算科学研究センター・兵庫県立大学情報科学研究科にお伺いしました”．LABOナビ ホームページ．イベント一覧．https://www.labnavi.info/event/210831/，（参照2024年02月24日）．
[3] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“第3回 スーパーコンピュータ「京」”．ハロー！スパコン 富岳版 ホームページ．もくじ．https://www.r-ccs.riken.jp/intro-hpc/hellosc-fugaku/03.html，（参照2024年02月24日）．
[4] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“「富岳」とは”．理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS） トップページ．「富岳」について．https://www.r-ccs.riken.jp/fugaku/about/，（参照2024年02月24日）．
[5] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“第6回 いきなり見せつけた「富岳」の力”．ハロー！スパコン 富岳版 ホームページ．もくじ．https://www.r-ccs.riken.jp/intro-hpc/hellosc-fugaku/06.html，（参照2024年02月24日）．
[6] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“「富岳」を支える施設”．理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS） トップページ．「富岳」について．https://www.r-ccs.riken.jp/fugaku/facility/，（参照2024年02月24日）．
[7] 国立研究開発法人 理化学研究所．“スーパーコンピュータ「富岳」TOP500、HPCG、HPL-AI、Graph500において世界第1位を獲得”．理化学研究所 ホームページ．広報活動．お知らせ．お知らせ2020．2020年06月23日．https://www.riken.jp/pr/news/2020/20200623_1/index.html/，（参照2024年02月24日）．
[8] 国立研究開発法人 理化学研究所．“スーパーコンピュータ「富岳」世界ランキングの結果と理化学研究所の今後の対応について－世界トップを引き続き維持－”．理化学研究所 ホームページ．広報活動．お知らせ．お知らせ2023．2023年05月22日．https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230522_5/index.html，（参照2024年02月24日）．
[9] エヌ・ティ・ティ・コミュニケーションズ株式会社．“デジタルツインとは”．ICT Business Online トップページ．意外と知らない？ITトレンド用語．https://www.ntt.com/bizon/glossary/j-t/digital-twin.html，（参照2024年02月24日）．
[10] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“「富岳」EXPANDS イベントレポート”．「富岳」EXPANDS ～可能性を拡張する～ ホームページ．https://www.r-ccs.riken.jp/sympo/fugaku-expands2023/report/，（参照2024年02月24日）．
[11] 国立研究開発法人 理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS）．“「富岳」ユーザーの主な研究成果”．理化学研究所 計算科学研究センター（R-CCS） トップページ．「富岳」について．「富岳」でできる！できた！．https://www.r-ccs.riken.jp/fugaku/research/press/，（参照2024年02月24日）．
[12] 特殊法人 日本放送協会（NHK）．計算で切り開く新時代！スーパーコンピューター富岳．サイエンスZERO．2023年09月24日，31分．
[13] 特殊法人 日本放送協会（NHK）．“計算で切り開く新時代！スーパーコンピューター富岳”．サイエンスZERO ホームページ．過去のエピソード．2023年09月24日．https://www.nhk.jp/p/zero/ts/XK5VKV7V98/episode/te/N1NX8W9XJ5/，（参照2024年02月24日）．
[14] 一般財団法人 高度情報科学技術研究機構 神戸センター．“vol.9 構造の分からない地殻の変形を予測する 常識を超えた大規模地震シミュレーション”．HPCI（革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ）広報サイト 富岳百景 トップページ．HPCIマガジン富岳百景．2022年11月18日．https://fugaku100kei.jp/mag/09/，（参照2024年02月24日）．
[15] 株式会社UT-Heart研究所．“分子シミュレーションと心臓シミュレーションの融合”．UT-Heart研究所 ホームページ．文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム．http://ut-heart.com/Fugaku/simulation.html，（参照2024年02月24日）．
[16] 学校法人 北翔大学．“「富岳」によるまるごと空力シミュレーションの記者勉強会”．北翔大学 トップページ．お知らせ 新着情報．2022年02月04日．https://www.hokusho-u.ac.jp/info/?i=2846，（参照2024年02月24日）．
[17] TOTO株式会社．“「富岳」を利用した高精度流体シミュレーションの水まわり商品への適用に関する研究で「優秀成果賞」を受賞 〜衛生陶器だけでなく、シャワー・浴室などへの適用可能性が高評価〜”．TOTO トップページ．会社情報．ニュースリリース．2022年10月13日．https://jp.toto.com/company/press/2022_10_13_01/，（参照2024年02月24日）．
[18] 国立研究開発法人 理化学研究所．“「富岳」実装版「OpenFold」の提供開始－タンパク質構造の大規模高速推論でゲノム医療や創薬に貢献－”．理化学研究所 ホームページ．研究成果（プレスリリース）．研究成果（プレスリリース）2023．2023年06月21日．https://www.riken.jp/press/2023/20230621_1/index.html，（参照2024年02月24日）．
[19] 国立大学法人 東北大学．“スーパーコンピュータ「富岳」とAI活用により高解像度でリアルタイムな津波浸水予測を実現 市街地に浸水する津波を数秒で詳細に予測し、より安全な避難行動を支援”．東北大学 ホームページ．2021年のプレスリリース・研究成果．2021年02月16日．https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/02/press20210216-01-ai.html，（参照2024年02月24日）．
[20] 株式会社 日本経済新聞社．“〈検証 研究プロジェクト〉「富岳」利用、「京」の2.7倍ペース 稼働3年で222社、製品開発にも”．日本経済新聞 トップページ．テック．AI．2023年08月18日．https://www.nikkei.com/article/DGKKZO73664640X10C23A8TJK000/，（参照2024年02月24日）．
[21] 株式会社 イー・マーケティングス．“次世代スーパーコンピュータ「富岳」NEXTのフィジビリティー スタディが始まる”．HPCwire JAPAN ホームページ．記事．Feature．2022年10月05日．https://www.hpcwire.jp/archives/66617，（参照2024年02月24日）．
[22] 国立研究開発法人 理化学研究所．“国産量子コンピュータ初号機の愛称「叡（えい）」に決定
－量子コンピュータ実機開発の第一歩であることを表現－”．理化学研究所 ホームページ．広報活動．お知らせ．お知らせ 2023．2023年10月05日．https://www.riken.jp/pr/news/2023/20231005_1/index.html，（参照2024年02月24日）．
[23] 国立研究開発法人 理化学研究所 神戸事業所．“理化学研究所 一般公開 in 神戸 参加申込み”．理化学研究所 一般公開 in 神戸 ホームページ．現地イベント申込の流れ．https://nws.stage.ac/riken_kobe/regist/，（参照2024年02月24日）．
[24] 国立研究開発法人 理化学研究所 神戸事業所．“わくわく「富岳」 南エリア”．理化学研究所 一般公開 in 神戸 ホームページ．R-CCS わくわく「富岳」．https://www.kobe.riken.jp/event/openhouse/23/ccs_ja.html，（参照2024年02月24日）．