独立行政法人日本原子力研究開発機構：JAEAメールマガジン　No.353

日本で一番処理速度が速いスーパーコンピュータは、2011年に理化学研究所に設置され
た「京」コンピュータであり、現在の世界ランキングでは第4位の性能となっています。「京」コ
ンピュータはみなさんが使用しているパソコンと同程度の性能をもつCPUを約10万台搭載し、
それらを通信ネットワークで接続することによって、１秒間に１京（10¹⁶）回の演算を処理する
能力を実現しています。この能力を駆使して、１台のパソコンでは100年以上もかかる、次世
代の核融合実験装置ITERの炉心における燃料プラズマの流れを解析する流体計算（流体
の運動を支配する基礎方程式を多数の格子点上で計算することにより流れの発展を解析す
る手法）を、わずか数時間で処理する超並列計算技術を実現しました。

このような超並列計算を実現する上で重要となるのが、通信処理の最適化技術です。例え
ば、10万台のCPUで完全に独立な計算を行えば、10万倍の処理速度が容易に実現します
が、１つの流体計算を10万台のCPUで処理すると、CPU間のデータ通信にかかる時間の分
だけ演算性能が低下します。この性能低下を回避するために、大規模な流体計算の通信処
理を以下の2つの手法によって最適化しました。

流体計算は隣接するCPU間での1対1の通信、あるいは、複数CPUのデータを集約す
る集団的な通信等、様々なパターンの通信処理を行います。一方、「京」コンピュータでは3
次元のメッシュ構造でCPUが接続されており、この構造に対応して1対1の通信、あるいは、
集団的な通信、それぞれに最適な通信経路が存在します。この特徴を利用して、「京」コンピ
ュータ上のデータ配置を最適化することで、通信時間を半分以下に削減できます。

これに加え、「京」コンピュータのCPUは8台の演算器（コア）を搭載していますが、このうち
1台を通信処理専用に割り当てて、計算しながら通信を同時に処理することによって、データ
通信時間による実質的な演算性能の低下をほぼゼロにしました。

これらの技術によって、従来の約10万倍の精度（各方向に1/50の計算格子幅）の流体計
算を実現し、実験では観測できない細かい電子の流れをつぶさに観察しました。核融合炉は
約1億度の燃料プラズマを閉じ込めて、核融合反応に十分な高温状態を維持する必要があ
るため、燃料プラズマの乱れた流れ（乱流）によって熱が逃げる過程（熱輸送）を理解するこ
とが重要な問題ですが、この計算によってこれまでよくわからなかった電子の乱流による熱
輸送を明らかにしました。これにより、核融合炉の開発促進が期待されます。