【牧野淳一郎（まきの・じゅんいちろう）＠東京大学大学院 理学系研究科 天文学専攻 助教授】

　研究：理論天文学、恒星系力学、重力多体シミュレーション
　著書：杉本大一郎編「専用計算機によるシミュレーション」 1994, （朝倉書店、東京）（分担）
　　　　Junichiro Makino and Makoto Taiji, Scientific Simulations with Special-Purpose Computers --- The GRAPE Systems 1998, (John Wiley and Sons, Chichester).
　　　　牧野淳一郎「パソコン物理実地指導」, 1999, （共立出版、東京）
　　　　そのほか

　ホームページ：http://grape.astron.s.u-tokyo.ac.jp/~makino/

○理論天文学の研究者で、ずば抜けた性能を持つ重力多体シミュレーションのための専用計算機GRAPE6の製作者・牧野淳一郎氏のお話をお届けします。（編集部）

…前号から続く　（第7回）

[15: 球状星団が球状になっている理由]

科学技術ソフトウェア データベース

○球状星団の話に戻りますが、そもそも球状星団って、どうして球状になってるんですか。

■それはですね。二つ要因があります。一つはですね、できたときにはそこまで丸くなかったとしても、１００億年くらい経つと、あのくらいの奴だと熱力学的な効果が効いて来るんです。内側から外側に角運動量を運べると。それでだんだん剛体回転に近づく。実効的に粘性のような効果が働いて、中心から外側に向かって角運動量が運ばれていく。それで中心のほうは相対的にゆっくりになって、外側は相対的に速くなる。
　そして外側のほうは銀河のポテンシャルを受けて、ある程度外側にいった星は球状星団から逃げちゃうと。それによってもともとできたときよりも、だいぶ丸くなっていくというのが理論的な予想です。
　ただしその効果が本当にどのくらい効くかということがまだあまり分かってません。ですからシミュレーションも含めて、研究しないといけないところです。

○なるほど。それは直観的にも分かりやすい話ですね。

■そうですね。実際、我々の銀河系だと球状星団といっても古い奴しかないんですけども、マジェラン星雲のなかには、割合大きな球状星団があって、若い星が集まっているものがあります。そしてそれは統計的には割と平べったい奴が多いと。そういうことは９０年代のはじめから割と言われています。

○じゃあそれは丸くなる途中？

■うん。そうなんじゃないかな、と言われています。
　で、あともう一つは、そうはいっても多分始めから割合丸い、つまり渦巻銀河みたいにひらぺったいわけではないだろうということなんですが、これはまあ、どうやってできたかというのが本当には良くわからないので。

○分からないわけですね。

[16: GRAPEの設計]

○GRAPEシリーズのことなんですけど、６というか、新型ができると、旧型のはどうなるんですか。前使っていた奴は？

■基本的には引退です。やっぱり、速度の違いが非常に大きくて１００倍くらい違ったりしますから。１００倍違って、食う電気は同じくらいとなると、やっぱり古い奴はね……。そうなるとそこらへんに転がしておくということになりますね。

○実際の設計はどんなふうにやるんですか。

■設計も色んなところがあります。チップの中身の設計とか基板の設計とか電源周りの設計とか色々あるんですが、チップの中身については、チップごとにやり方が違ってるんです。一緒にやる業者が変わってて、それに合わせて仕事のやり方も変わるので。
　６のチップの場合には、東大側でチップのほうに関わったのは僕と福重君っていう助手（http://grape.c.u-tokyo.ac.jp/~fukushig/jindex.html）なんですけど、僕がやったところっていうのはパイプラインの中身の仕様を書くっていうところと、ソフトウェアシミュレータ。つまり、ビット単位でこういう演算をするというシミュレータを書くのを僕がやって、実際にロジック、ロジックというか記述言語に落とすのはコントラクターのIBMのエンジニア、名村さんていう人ですが、がやってるんです。それと、福重君が書いたインターフェースのところのロジックを組み合わせて、いわゆるレジスタ・トランスファーレベルの設計というのがそこで終わって、それを物理設計−−ゲートレベルに落とすまではIBMがやって、それを実際にチップの上にレイアウトするのは東芝でやってもらってます。

○ふーん……。やっぱり色んな企業との共同作業なんですね。

■チップはそんな感じです。ボードとかは、回路設計はだいたいこっちでやって、いわゆるネットリストという、この石のこのピンとこの石を繋いでやって下さいという御願いはまた業者に渡して、実際の作業は業者にやってもらうと。

○なるほどー。
　僕らのイメージでスーパーコンピュータというと、やっぱりでかい奴というイメージがあるんですよね。実際、今でもでかいじゃないですか。大きな冷却器とかもついていて。それに比べるとずいぶんと小さいですよね（リリースの写真を参照：http://grape.astron.s.u-tokyo.ac.jp/press/2001-grape6.html）。それ自体が驚異的に思えるんですけども。一番の違いは専用機だということに尽きるんでしょうけども、なんでそこまで違うのかが、まだ、実感としてよく分からないところがあるんですよね……。

■うん。ただ、どういうファクターでっていうのをパッと口で言っちゃうと、やっぱりさっき言ったような、チップレベルで演算機を４００個並べているという違いがまずあって、実際にはそのメインボードにそのチップを３３個積んでいて、それで４００Ｗくらい熱を出すと。普通のパソコンだとあの箱にマイクロプロセッサ一個しか入ってないわけで、詰め込み方が一桁半くらいは違うと。そういう説明になっちゃうんですよね。

○ええ。

■じゃあ普通のパソコンを詰め込んで小さくできるかというと、１／５か１／１０くらいまでは小さくできると思うんですけども、RWCP(http://www.rwcp.or.jp/)で最初に組んだのがそのくらいだったかな。RWCPっていうのはなんだったっけ。今の通産の大型プロジェクトなんですけど。

○そんなのやってるんですか。

■あれは当初は第６世代といっていたんですが、９２年に始まった奴で、今年度で終わりなんですけども。一番はじめは電総研でやっていたんですが、９６年の中間見直しでそれまでの計画は消えてしまって、大規模計算用のインフラ開発とか、まあそのへんの応用開発をやると。結局はＰＣクラスターの応用レベルというかそのへんのハードとかソフトとかの開発が中心になっています。
　それで小さなＰＣのメインボードで高密度なクラスターを作るというのがいくつか行われています。これは単に、普通の PC だとミニタワーの箱でもわりあい大きくて、それを 64 個とか 256 個になるとかさばるんですが、 PCI カードサイズに PC の機能をいれちゃったものというのが売られてて、それを使う。そうすると19インチラック2本くらいで64プロセッサが収まるという話です。
　タンパク質の構造解析をするクラスターを作ったグループがそういうアプローチだったかな。まあ、最近の高密度サーバーとかだと19インチラック1本に 42 プロセッサとかはいりますから、同じようなものです。普通のミニタワーの箱だと19インチラック1本にせいぜい 8台なので5倍くらいは入る。

○ふむふむ。

■で、あの……。ただ、あれですけどね。本当はコンピュータっていうのはそんなに大きいものじゃない。たとえばクレイの一連のマシンとか、クレイが作ったＴ３とかって奴は、マシン本体の大きさとしては、２メートルあまりの立方体で、そんなに大きいものじゃない。基本的には速くしようと思えば配線を短くしたい、配線密度を高くしたいので、あまり大きくはしたくないわけですから。

○はい。

■ただし熱を出すので、クレイの場合には非常に特殊な冷却装置を使って、小さいところに回路を詰め込んでいるわけです。
　最近のプロセッサなんかは速くするのはプロセッサの中だけにしちゃって、あとは楽に組もうということになっているんで、割と大きいんですけども。
　でも、それでも、普通のスーパーコンピュータは、少なくとも数年前まではそんなに大きいものじゃなかったと思います。最近ね、急に、異常に大きいものが増えてますけども。＜地球シミュレーター＞とかですね。まだ見に行ったことないんですけどね。

○僕もないんです。一度是非見に行きたいと思ってるんですけども。
　（http://www.gaia.jaeri.go.jp/を参照）

■話を聞くと凄そうですよね（笑）。

○体育館みたいなところに並んでるんでしょう？

■「体育館みたい」というよりは、並の体育館より大きいですからね（笑）。かなりの部分は空気を循環させてるだけなんですけどね。実際の計算機は一層で、下にネットワークの配線の層があって、その下に空調の層があると。計算機の上のほうには単に空気を回すための巨大なダクトがついていると。そういう設計になってるようですから。

○ははあ。すごいですね。

[17: 気象シミュレーション専用計算機はなぜできない？]

○そこが疑問なんですけど、GRAPEが報道されたときでも「どこそこのコンピュータより数倍速いという」という記事が出ますよね。それは、そうとしか書きようがないからそう書くんだろうし、まあ別にいいと思うんですけども、一方で地球シミュレーターみたいに、ドーンと大きい奴もやっぱり開発され続けていると。あれこそ専用計算機にすればいいんじゃないかとか思うんですが。気象専用とか。なんでそういうのが作られないんでしょうか。素朴な疑問なんですけど。

■うーん、それはやっぱりその……、あれですよね……（笑）。

○計算のアルゴリズムがしょっちゅう変わってるということでもないんでしょう？　まあ、どのパラメータを入れるかといったことが時代によって変わってくるということはあるんでしょうけども……。

■うん、やっぱりそういう面もあるんですけどね。特に気候シミュレーションなんかの話だと、計算量が一番大きいのはどこか分からないんですよ。正直なところ、どういう計算をするのかというところそのものが、シミュレーションする方にも分かってない状態です。

○どこを重視しておけば大丈夫といった基準もない？

■ないと思います。というのは、研究会とかで話を聞いたこともあるんですけども、まだシミュレーションの−−いちおう、高分解能でこういう計算をしましょうとしたとして、その計算法自体がまだ決まってない。気象というか−−特に全球のシミュレーションは結構大変で−−非圧縮でやってるのかな。
　音速よりもゆっくり動く流体のシミュレーションというのは、非常に計算が大変なんです。

○どうしてですか。

■というのは、流体の場合は、音速よりも速いものと遅いものとでは全然違ってるんです。音速より速いものは、流体計算するときも、音速で一メッシュを横断するくらいにとって計算すればいいんです。
　いろいろ細かい話はあるんですが、基本的には「陽解法」っていって１ステップ前の状態から新しいステップを計算すればいいと。ある点の新しい状態を計算するのに、昔のところの情報だけをベースに計算すればいいわけですね。
　ところが流体の場合、それができるためには時間刻みが音速が一メッシュを伝わる時間くらい短くないといけない。
　でも気象なんかだとものがゆっくり動いているから、もっと時間刻みを長くしないと計算が進まないわけですね。そのときには、昔の情報だけから今の情報を計算することができない。今の他の点の情報も同時に計算するような、非常に大きな連立方程式を解いて計算するような方法を使わなくちゃいけないと。
　これはそれこそフォン・ノイマンが発見したような、昔から分かっていたことなんですけども、とにかくそういうことが分かっている。

○はい、それで？

■で、メッシュを細かくしていくと、連立方程式の次数がとてつもなく大きくなっていくわけです。それに対して、そこで出てくるような方程式をどうやって球面上で解くかという話があって、それに……。たとえばそこでフーリエ変換を使うのか、ルジャンドル変換を使うのか、それとも直接差分を使うのかといったような、割合基本的なレベルで、どういった計算法が良いのかということが分かってない。

○ふーん……。

■そこらへんは専門の人でも、まだ……。そのレベルでどういう計算法を使うのかということが研究レベルみたいです。
　それが大きなレベルの話で、さらに１点１点でどういう物理量を入れるかという話があります。つまり、温度がこうなったら地表面から水蒸気が蒸発して、雲ができて雨が降るとかですね、そういったことを考慮しないといけないわけですけども、それもまああんまり良く分かってない。
　特にどんなものができるのかとか、そこに雲ができたらどのくらい太陽光を反射するのかとか、そういったことも本当は計算しないといけないわけですね、気候シミュレーションとなると。気象で３時間後の台風の位置がどのくらいかといったレベルならそこまで計算しなくていいと思うんですけども、本当に気候変動を追うといった話になると、平均気温がちょこっと上がったときに、降水量がどう変わるかといったことも本当は計算で答えが出ないとしょうがない。でも、そのためにどうすればいいかといったことが完全に分かっているとは、とても言い難いと思います。
　そのへんが１０年とか２０年前に比べて劇的に進歩したということは、あまりないんじゃないかなあ……。

○次号へ続く…。

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◇CNN バイアグラとチベットの知られざる関係とは
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◇日経新聞 91年当時、講演の研究者に農水省幹部が“圧力”？
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◇BizTech コナミマーケティング、ネズミ型の育成デジタルペット発売
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◇BizTech 信州大医学部の小山教授、フラーレンが細胞死を促すと発表─ガン治療に1つの道
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◇BizTech FDAが肌に貼るタイプの避妊薬を承認
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◇ZDNet インターネット利用動向の調査会社ジュピターメディアメトリックスが事業停止へ
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