IntroducCon Outline 第一原理計算アプリケーションについて 本日のワークショップの講演の紹介 第一原理シミュレーションを始めるには ü GUI アプリの紹介 ü 利用環境と利用支援 第一原理計算アプリケーション QuantumESPRESSO の実行 HPC での計算について 高度

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1 第 3 回材料系ワークショップ 2017 年 2 月 23 日 ( 木 ) 秋葉原 UDX NEXT-1 Web 掲載 印刷配布版 第一原理計算アプリケーションの紹介 : 利用環境と支援体制および GUI 支援ツールについて 高度情報科学技術研究機構 (RIST) 吉澤香奈子 1

2 IntroducCon Outline 第一原理計算アプリケーションについて 本日のワークショップの講演の紹介 第一原理シミュレーションを始めるには ü GUI アプリの紹介 ü 利用環境と利用支援 第一原理計算アプリケーション QuantumESPRESSO の実行 HPC での計算について 高度情報科学技術研究機構 (RIST) の利用支援 2

3 Introduc0on 材料開発とシミュレーション 基礎と応用の連携 理論と実験の連携 à まだまだ発展途上 材料系ワークショップ シミレーション ( 計算科学 ) で何ができるか? 実際に使うには 期待する規模の計算を行うには ( 計算性能を出すには ) これまでの材料系ワークショップ 第 1 回 (2016/2/19) 第 2 回 (2016/10/4):(LAMMPS) など古典 MD 中心 今回 ( 第 3 回 ): 第一原理計算中心 シミュレーション ( 計算科学 ) は 役立つ?( 大規模計算可能か?) 正しいのか?( 計算精度は?) à 使い方次第 何か得られ 得られる情報をどう活用するか à 高並列計算 高度化に対する知識 ( アプリの使い方 ) 本 WS の講演 具体的な実施へ向けて 研究 開発でのシミュレーション ( 計算科学 ) の活用へ 3

4 第一原理計算アプリケーション について 4

5 材料系アプリケーションについて ( 参照 ) 今後の HPCI 第二階層計算資源の整備とその活用に関する報告書 国のプロジェクトで開発されたソフトウェア ( 抜粋 ) 海外のソフトウェア ( 抜粋 ) プロジェクトソフトウェア名手法 ( 特徴 ) 重点課題 5 NTChem 量子化学計算 GELLAN 量子化学計算 MODYLAS 古典 MD stat-cpmd 第一原理計算 (CPMD) STATE 第一原理計算 ( 平面波基底 ) SMASH 量子化学計算 重点課題 6 ABINIT-MP 量子化学計算 PHASE/0 第一原理計算 ( 平面波基底 ) RSDFT 第一原理計算 ( 実空間 DFT) 重点課題 7 OpenMX 第一原理計算 ( 局在基底 ) xtapp 第一原理計算 ( 平面波基底 ) QMAS 第一原理計算 ( 平面波基底 ) AkaiKKR 第一原理計算 ( グリーン関数法 ) TOMBO 第一原理計算 ( 全電子混合基底 ) RSPACE 第一原理計算 ( 実空間 DFT) CONQUEST 第一原理計算 ( オーダー N 法 ) ARTED 第一原理計算 ( 実時間 DFT) 古典 MD 第一原理電子状態計算ソフトウェア中心に抜粋 ソフトウェア名 手法 ( 特徴 ) 開発種別 CP2K 第一原理計算 ( 混合基底 ) OSS GAMESS 量子化学計算 OSS GROMACS 古典 MD OSS LAMMPS 古典 MD OSS NAMD 古典 MD OSS QuantumESPRESSO 第一原理計算 ( 平面波基底 ) OSS TINKER 古典 MD OSS ADF 量子化学計算商用 AMBER 古典 MD 商用 CHARMM 古典 MD 商用 Gaussian 量子化学計算商用 Molpro 量子化学計算商用 VASP 第一原理計算 ( 平面波基底 ) 商用 WIEN2k 第一原理計算 ( 全電子計算 ) 商用 たくさんある à どれを使って良いのかわからない? 5

6 第一原理計算アプリケーションの紹介 本日の WS で紹介 第一原理計算フルアプリ ABINIT-MP(FMO) [ 望月祐志 ( 立教大学 ) / 加藤幸一郎 ( みずほ情報総研 )] PHASE/0( 平面波基底 DFT) [ 奈良純 ( 物質 材料研究機構 )] ARTED( 実時間 DFT) [ 矢花一浩 ( 筑波大学 )] ポストアプリ ALAMODE( 熱伝導 非調和フォノン ) [ 只野央将 ( 物質 材料研究機構 )] :DFT コードと組み合わせて用いる 機能モジュール ESM( 有効遮蔽媒質法 ) [ 大谷実 ( 産業技術総合研究所 )] :DFT コード (QuantumESPRESSO, STATE, xtapp, OpenMX, Siesta など ) に組み込まれている 6

7 第一原理計算アプリケーションの話題提供 本日の WS で紹介 マテリアルズインフォマティクスへ向けたの取り組み 只野央将 ( 物質 材料研究機構 ) 望月祐志 ( 立教大学 ) / 加藤幸一郎 ( みずほ情報総研 ) 産業界の取り組み 檜貝信一 ( 株式会社村田製作所 先端素材高速開発技術研究組合 (Hi-Mat) CAMM フォーラム ):DFT コードと組み合わせて用いる パネルディスカッション 計算物質科学のエコシステム構築に向けて モデレータ : 古宇田光 ( 東京大学物性研究所 ) パネリスト : 常行真司 ( 東京大学 ) / 茂本勇 ( 東レ株式会社, 産応協 ) / 古賀良太 ( 株式会社クロスアビリティ ) / 奥田基 ( 高度情報科学技術研究機構 ) 7

8 第一原理シミュレーションを始めるのは どのアプリを使えば良いのか MateriApps h9p://ma.cms-ini0a0ve.jp/ja で検索 物質科学シミュレーションのポータルサイト 185の物質科学アプリケーション やツールを紹介 (2016年8月現在) やりたいこと からアプリケーショ ンを検索 ü 検索タグ 特徴 対象 手法 アルゴリズム 開発者の声を利用者に届ける ü アプリ紹介 開発者ページ アプ リの魅力 将来性 応用性 2013年5月公開 フォーラム(掲示板)を利用した意 見交換 講習会情報 web講習会 更新情 報 月間 ページビュー ユニークユーザ 8

9 第一原理計算の GUI アプリ (1) C-Tools( フリー ) h]p://ma.cms-inicacve.jp/ja/listapps/c-tools DFT コードに対する GUI 支援ツール : 基本的な計算パラメータを GUI で調整し 多種の DFT コードの入力ファイルを作成できる DFT コード間の入力ファイルの変換も可能 Supported DFT codes (5 codes) xtapp ( 平面波基底 ) OpenMX ( 局在基底 ) RSDFT ( 実空間 ) VASP ( 平面波基底 ) PWscf(Quantum ESPRESSO) ( 平面波基底 ) [load] 構造ファイル CIF (Crystallographic Information File) XYZ (Chemical file format) 構造を開いて 保存するだけで 簡単に DFT コードの入力ファイルが出来る 出力 入力ファイルを自動生成 [save] 入力ファイル xtapp OpenMX RSDFT VASP PWscf 9

10 第一原理計算の GUI アプリ (2) Winmostar h]ps://winmostar.com/ QuantumESPRESSO, Gaussian, GAMESS, NWChem, MOPAC に対応 株式会社クロスアビリティが開発 販売 企業ユースで 15 万円 ~( トライアル版あり ) サポート & 講習会 ( 東京 関西で隔週ペース ) 無償版 + トライアル版は平均 20 ダウンロード / 日 国内外にシングルライセンス 507 ユーザ 機関ライセンス 36 契約 (2017 年 1 月 9 日時点 ) 10

11 第一原理計算の GUI アプリ (3) BioStaCon Viewer h]ps:// macromolecule/biostacon/index.html フラグメント分子軌道 (FMO) 法プログラム ABINIT-MP 専用プリポスト [ 望月祐志 ( 立教大学 ) / 加藤幸一郎 ( みずほ情報総研 )] の講演 フラグメント分割処理例 ( 左 : タンパク質 右 : 結晶 - ペプチド吸着系 ) 入力パラメータ設定画面 11

12 第一原理計算の可視化ツール 可視化ツール ( フリー ) VESTA h]p://jp-minerals.org/vesta/jp/ ü CIF ファイルを読める ( 空間群の判別 ) ü 密度 波動関数 ü 結晶の原子間距離や角度が測れるなど XCrysDen h]p:// ü 密度 波動関数 フェルミ面 ü 結晶の原子間距離や角度が測れる ü バンド図 K 点経路の作成 ü アニメーションの作成 (MD, 構造最適化 ) など OVITO 12

13 データベース :MatNavi の活用 NIMS 物質 材料データベース (MatNavi) h]p://mits.nims.go.jp/ 高分子や無機材料などの構造 物性に関する材料データベース 物質 材料研究機構が運営を行っており 材料の結晶構造 種々の物性値 相図などのデータをウェブベースのユーザーインタフェースにより提供している 無料であるが 要登録 計算したい物質の構造ファイル (CIF) が手に入る ( 自分で対称性 セル 原子座標などを指定して作る手間が省ける ) チタン酸鉛 (PbTiO 3 ) 13

14 MateriApps LIVE! ( フリー ) の利用 l USB メモリから直接ブートできる Linux システム (Debian Live Linux) Windows Mac などで利用可 インストール作業なしで物質科学アプリを実行できる l バージョン 1.11 公開 (2016 年 9 月 5 日 ) l MateriApps で紹介している公開アプリ ツールを収録 2016 年 9 月現在 :ABINIT, AkaiKKR, ALPS, CP2K, DSQSS, ERmod, feram, Gromacs, HPhi, LAMMPS, OpenMX, Quantum ESPRESSO, SMASH, xtapp MateriApps LIVE! サイト ( からダウンロード可能 USB で reboot しなくても VirtualBox + ova ファイルで使用可能 h]ps://github.com/cmsi/ MateriAppsLive/wiki/MateriAppsLive-ova 14

15 MateriApps LIVE! を用いた第一原理計算実行例 MateriApps LIVE! を起動 MatNavi 環境の構築 キーボード設定 データベース MatNavi 構造ファイル ***.cif 取得 補助ツール C-tools 入力ファイル ***.dat 生成 ターミナル (OpenMX を実行 ) $ openmx ***.dat 可視化ツール VESTA 電子密度の可視化 可視化ツール XCrysDen フェルミ面の可視化 コマンドはここだけ VESTA ダイアモンドの電子状態計算 XCrysDen 銅のフェルミ面の計算 15

16 京 を中核とする HPCI システム : 利用実績のあるアプリケーション 順位 アプリ名 ( 利用 申請 ) 課題数合計学術産業 分野 ( 手法 ) 開発種別 1 GROMACS 古典 MD 海外 OSS 2 OpenFOAM CAE/ 気象 防災 海外 OSS 3 MODYLAS 古典 MD 国プロ 4 FrontFlow/blue (FFB) CAE/ 気象 防災 国プロ 5 GENESIS 古典 MD 国プロ 5 FrontFlow/red (FFR) CAE/ 気象 防災 国プロ 7 LAMMPS 古典 MD 海外 OSS 8 Quantum ESPRESSO 第一原理計算 ( 平面波基底 ) 海外 OSS 8 NTChem 量子化学計算 国プロ 8 SCALE 気象 防災 国プロ 11 LANS3D CAE 独自開発 11 NICAM 気象 防災 国プロ 11 LS-DYNA CAE 商用 14 VASP 第一原理計算 ( 平面波基底 ) 商用 14 LETKF 気象 防災 海外 OSS 16 GAMERA 気象 防災 国プロ 16 AMBER 古典 MD 商用 利用実績がある à 利用可能な環境にある 実際にどのマシンで使われているか確認の必要 H27 H H28 16

17 利用環境に関する情報 :( 例 )HPCI ポータルサイト 平成 28 年度の課題募集におけるハードウェア ソフトウェア資源一覧 お問合せ 17 ヘルプデスク h]p://

18 開発グループ 第一原理計算アプリ利用支援 VASP, QuantumESPRESSO など ( 英語 ) 国プロアプリ ( 日本の開発者 ) ABINIT-MP, PHASE/0, ARTED, ALAMODE, ESM :( 本 WS) GUI 支援ツールによる利用 各支援ツールの開発元 ( クロスアビリティ みずほ情報総研など ) がサポート MateriApps Live! による利用 à MateriApps 開発 京 および HPCI での利用 à RIST ヘルプデスク h]p:// へ 18

19 アプリソフトに対する支援実績 年間 30 件程度の支援 RIST の利用支援の実績 OSS の支援では 近年 QuantumESPRESSO(QE) の需要が増加 支援したアプリソフトの種別 支援したOSSの内訳 OpenFOAM LAMMPS QE H 独自開発商用国プロ H H OSS 合計 H H25 H26 H27 H28 京 および HPCI でのアプリ利用 RIST に相談 19

20 第一原理計算アプリケーション QUANTUM ESPRESSO (QE) の実行 20

21 QE のルチル TiO 2 の計算時間 フラット MPI 実行時間 ( 時 : 分 : 秒 ) ルチル TiO 2 : [ 原子数 ] Ti : 2 個, O : 4 個 [space group] P4 2 /mnm 手持ちのPC (imac:2.8 GHz Intel FX10 Core i7) プロセス数 原子 (K 点 :24 点 ) 0:01:48 0:00:45 0:01:12 0:02:05 48 原子 (K 点 :8 点 ) 2:01:35 0:51:48 0:39:12 0:09:44 計算規模 ( セルサイズ 原子数など ) が小さい場合 プロセス数を増やすと 通信等により実行時間が増加する可能性がある ( 計算が実行出来ない場合がある ) 計算規模が大きくなる à HPCの利用へ Ti O 21

22 高度情報科学技術研究機構 (RIST) の利用支援 22

23 RIST の利用支援 HPCI ポータル 検索 高度情報科学技術研究機構 (RIST) ヘルプデスク : ワンストップサービス窓口 Tel: helpdesk@hpci-office.jp 利用者 問合せ / 相談 回答 / 支援 (2) 利用相談 - システムの利用方法 - 他システムからの移行 - ライブラリ ツール等の利用 - コンパイル 実行時の問題解決 - 性能情報の取得方法 etc... (3) 技術支援 ( 高度化支援 ) - 性能情報の採取 分析 ボトルネック調査 演算性能評価 通信特性分析 インバランス評価 - 高速化 高並列化の支援 - 可視化支援 (1) 申請前相談 - 応募手続き 課題申請書の記載方法 - 計算機環境 ( ハードウェア ソフトウェア ) - 産業利用相談 - 産学連携コーディネート (5) 情報提供 公開 - HPCI ポータルの運営 資源提供機関 計算機情報 課題募集情報 募集説明会 課題選定結果 成果公開 アプリケーションの動作確認情報 高速化ノウハウ 講習会情報 - 広報誌 ( 京算百景 ) パンフレット発行 etc... (4) 講習会 / セミナー等の開催 - 京 利用者向け講習会 ( 初 / 中 / 上級 ) - 一般向けセミナー チューニング MPI OpenMP - ワークショップ (OpenFOAM 等 ) - 戦略分野との共催講習会 / セミナー 連携協力 資源提供機関 23

24 京 高度化支援実績 HPCI ポータル h9p:// 高度化支援の申込み 高度化支援の事例 24

25 利用成果報告書の公開 HPCI ポータル ( h]p:// ) で公開中 25

26 利用報告書アクセス数トップ 20 26

27 利用報告書 (PDF) ダウンロード数 (2015 年 4 月 2016 年 1 月までの合計のダウンロード数 ) 材料系が高いダウンロード数 27 à 注目度が高い

28 利用報告書データベース検索 h]p:// HPCI 利用報告書 DB 検索 検索 28

29 利用支援の詳細 支援の申し込み HPCI ポータル 京 高度化支援について h]p:// RIST では プログラムの最適化に関する様々な依頼に応えます ご相談はヘルプデスクまで 多数の支援実績があります ノウハウ集も公開しています 是非参考にして下さい h]p:// 29

30 講習会 第 3 回 HPC プログラミングセミナー 2017 年 3 月 23 日 ( 木 ), 24 日 ( 金 ) 秋葉原 UDX h]p:// どなたでもご参加いただけます 第 3 回 京 初中級者向け講習会 2017 年 3 月 27 日 ( 月 ), 28 日 ( 火 ) 秋葉原 UDX h]p:// 参加資格は上記のページをご確認ください ワークショップ 告知 第 4 回高速化ワークショップ 2017 年 3 月 24 日 ( 金 ) 秋葉原 UDX h]p:// 30

31 Summary 材料系の研究 開発でのシミュレーション ( 計算科学 ) の活用へ ( 具体的な実施へ ) 材料系 ( 第一原理計算 ) アプリケーションの紹介 RIST の利用支援の紹介 京 および HPCI の利用 à まず 申請前の事前相談 à トライアル ユースなどへご応募 à 利用相談 高度化支援 à 利用報告書のご提出 àhpci ポータルで公開 本日 RIST による利用相談 または情報交換会へ 31