「富岳」を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーションに成功〜2021年ゴードン・ベル賞ファイナリストに選出〜

「富岳」を用いた宇宙ニュートリノの数値シミュレーションに成功
〜2021年ゴードン・ベル賞ファイナリストに選出〜

2021年10月28日
国立大学法人筑波大学
国立大学法人京都大学
国立大学法人東京大学
国立研究開発法人理化学研究所

宇宙大規模構造形成におけるニュートリノの運動の数値シミュレーションは、宇宙の銀河分布を手掛かりにしてニュートリノ質量や質量階層などの素粒子物理学にとって重要な物理量を測定する研究に欠かせません。

宇宙大規模構造形成の数値シミュレーションでは、物質の空間分布や速度分布を統計的にサンプリングして多数の質点の位置と速度で表現するN体シミュレーションという手法が採用されてきました。この手法は過去数十年にわたって研究され、改良が加えられてきましたが、物質分布を統計的にサンプリングするために、数値シミュレーションの結果に人工的な数値ノイズ（ショットノイズ）が含まれてしまうという欠点があります。また、ニュートリノが宇宙大規模構造に及ぼす主な力学的影響としては、ニュートリノのうち少数の高速度成分が重要な役割を果たす無衝突減衰注という物理過程が挙げられますが、統計的なサンプリングでは高速度成分を忠実にサンプリングできず、正確な数値シミュレーションとなっていない可能性が指摘されていました。

　筑波大学計算科学研究センターの吉川耕司を中心とする研究グループは、ブラソフシミュレーションと呼ばれる全く新しい手法を世界で初めて採用し、スーパーコンピュータ「富岳」の全システムを用いて宇宙大規模構造におけるニュートリノの運動に関する大規模数値シミュレーションを実行することに成功しました。ブラソフシミュレーションは、従来の計算手法（N体シミュレーション）に比べて、ノイズのない数値シミュレーションを実行することが可能ですが、計算量や必要なメモリ容量がかなり大きくなることが問題でした。本研究では、革新的な計算アルゴリズムと「富岳」に最適化したコーディング手法と並列化手法を用いて、90％を超える並列化効率を達成し、さらに、富岳の全システムを用いた数値シミュレーションによって、計算領域を約400兆個ものメッシュに分割した世界最大のブラソフシミュレーションを実施することに成功し、N体シミュレーションによる過去最大規模のニュートリノの数値シミュレーションと同等規模の数値シミュレーションに要する時間を約10分の１に短縮することができました。

　なお、本研究論文は、スーパーコンピュータを用いた科学・技術分野の研究の中で、その年に最も顕著な成果を上げた研究グループに与えられる米国計算機学会のゴードン・ベル賞の最終候補（ファイナリスト）に選出されました。ゴードン・ベル賞の最終発表は米国ミズーリ州セントルイスのアメリカズセンター及びオンラインで開催される国際会議において、現地時間11月18日12時30分より行われます。

　本研究は、文部科学省ポスト「京」重点課題9「宇宙の基本法則と進化の解明」、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「宇宙の構造形成と進化から惑星表層環境変動までの統一的描像の構築」（JPMXP1020200109）、JST CREST「広域撮像探査観測のビッグデータ分析による統計計算宇宙物理学」（JPMJCR1414）、JST AIP加速課題「革新的画像解析技術を用いた広域宇宙撮像データ分析」（JP20317829）、科学研究費補助金（JP18H04336、JP21H01079）および計算基礎科学連携拠点（JICFuS）の支援と理化学研究所のスーパーコンピュータ「富岳」（課題番号：hp200124、hp210164）と最先端共同HPC基盤施設のOakforest-PACS（課題番号：17a40、xg18i019、HPCI課題番号：hp170123、hp190093）の利用により実施されました。

くわしくは筑波大学計算科学研究センターのプレスリリースをご覧ください。
https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/release211028/

掲載論文

掲載誌名：: 「SC ’21: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis」
論文タイトル：: A 400 Trillion-Grid Vlasov Simulation on Fugaku Supercomputer: Large-Scale Distribution of Cosmic Relic Neutrinos in a Six-dimensional Phase Space
（スーパーコンピュータ「富岳」において400兆グリッドを用いたブラソフシミュレーション：宇宙ニュートリノの6次元位相空間における大規模構造）
著者：: Kohji Yoshikawa, Satoshi Tanaka, Naoki Yoshida
DOI：: https://doi.org/10.1145/3458817.3487401