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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
第３回材料系ワークショップ2017年2月23日(木) 秋葉原UDXNEXT-1
Web掲載・印刷配布版
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Outline• IntroducCon• 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
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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
研究・開発でのシミュレーション（計算科学）の活用へ
本WSの講演
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）
具体的な実施へ向けて
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第一原理計算アプリケーションについて
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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）
重点課題７
RSDFT 第一原理計算（実空間DFT）
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）
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
※古典MD、第一原理電子状態計算ソフトウェア中心に抜粋
たくさんある àどれを使って良いのかわからない？5
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第一原理計算アプリケーションの紹介
• 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。
本日のWSで紹介
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第一原理計算アプリケーションの話題提供
• 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）
本日のWSで紹介
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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
• 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
• 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 10000+ページビュー、1900+ユニークユーザ
2013年5月公開
物質科学シミュレーションのポータルサイト
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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。
構造ファイル CIF (Crystallographic Information File) XYZ (Chemical file format)
入力ファイル xTAPP OpenMX RSDFT VASP PWscf
入力ファイルを自動生成
出力[load] [save]
SupportedDFTcodes（５ codes）xTAPP（平面波基底）、 OpenMX（局在基底）、RSDFT（実空間）、VASP（平面波基底）、PWscf（QuantumESPRESSO） （平面波基底）
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
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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)
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第一原理計算のGUIアプリ（３）• BioStaConViewer
h]ps://www.mizuho-ir.co.jp/soluCon/research/life/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
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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://www.xcrysden.org/
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
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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（PbTiO3）
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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 (http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/)
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
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環境の構築・キーボード設定
データベースMatNavi
補助ツールC-tools
構造ファイル***.cif取得
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
可視化ツールXCrysDen
電子密度の可視化
フェルミ面の可視化
MatNavi
VESTA XCrysDen
コマンドはここだけ
MateriApps LIVE! を用いた第一原理計算実行例
MateriApps LIVE! を起動
ダイアモンドの電子状態計算 銅のフェルミ面の計算15
「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
※ 利用課題数は、H27年度の利用報告書 （H28年11月10日時点提出分） とH28年度の課題申請書 で対象アプリの記述があったもの
• 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
順位 アプリ名 （利用・申請）課題数
分野（手法） 開発種別合計 学術 産業
1 GROMACS 27 24 3 古典ＭＤ 海外OSS 2 OpenFOAM 17 4 13 CAE／気象・防災 海外OSS 3 MODYLAS 16 14 2 古典ＭD 国プロ
4 FrontFlow/blue (FFB) 13 5 8 CAE／気象・防災 国プロ
5 GENESIS 11 11 0 古典ＭＤ 国プロ
5 FrontFlow/red (FFR) 10 4 6 CAE／気象・防災 国プロ
7 LAMMPS 10 4 6 古典ＭＤ 海外OSS 8 Quantum ESPRESSO 9 6 3 第一原理計算(平面波基底) 海外OSS 8 NTChem 9 9 0 量子化学計算 国プロ
8 SCALE 9 9 0 気象・防災 国プロ
11 LANS3D 9 8 1 CAE 独自開発
11 NICAM 8 8 0 気象・防災 国プロ
11 LS-DYNA 8 3 5 CAE 商用
14 VASP 8 8 0 第一原理計算(平面波基底) 商用
14 LETKF 5 5 0 気象・防災 海外OSS 16 GAMERA 5 5 0 気象・防災 国プロ
16 AMBER 5 4 1 古典ＭＤ 商用
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利用環境に関する情報：（例）HPCIポータルサイト
≈
ヘルプデスク h]p://www.hpci-office.jp/pages/support
お問合せ
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
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第一原理計算アプリ利用支援
• 開発グループ– 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– MateriAppsLive!による利用 àMateriApps開発
• 「京」およびHPCIでの利用 àRIST
ヘルプデスク h]p://www.hpci-office.jp/pages/supportへ
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RISTの利用支援の実績
• アプリソフトに対する支援実績– 年間30件程度の支援– 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
H25 6 3 0
H26 4 3 1
H27 6 1 1
H28 4 1 4
「京」およびHPCIでのアプリ利用 RISTに相談 19
37
2931
27
0
5
10
15
20
25
30
35
40
H25 H26 H27 H28
独自開発
商用
国プロ
OSS
合計
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第一原理計算アプリケーションQUANTUMESPRESSO(QE)の実行
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QEの ルチルTiO2の計算時間
実行時間（時：分：秒）
手持ちのPC（iMac：2.8GHzIntelCorei7）
FX10
プロセス数 1 4 16 384
6原子（K点：24点） 0:01:48 0:00:45 0:01:12 0:02:0548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 àHPCの利用へ
フラットMPI TiO
ルチルTiO2：
[原子数] Ti : ２個, O : ４個 [spacegroup] P42/mnm
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高度情報科学技術研究機構（RIST）の利用支援
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RISTの利用支援
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:078-940-5795 E-mail：[email protected]
資源提供機関
利用者
（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
（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
HPCIポータル 検索
http://www.hpci-office.jp/
問合せ/相談
回答/支援
連携協力
（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...
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「京」高度化支援実績
高度化支援の申込み
高度化支援の事例
HPCIポータルh9p://www.hpci-office.jp
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利用成果報告書の公開HPCIポータル(h]p://www.hpci-office.jp)で公開中
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利用報告書 アクセス数トップ20
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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à注目度が高い 27
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利用報告書データベース検索
HPCI 利用報告書DB検索 検索h]p://www.hpci-office.jp/annex/usrrep/
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• 支援の申し込みHPCIポータル「京」高度化支援について
h]p://www.hpci-office.jp/pages/k_koudoka
• 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://www.hpci-office.jp/pages/k_koudoka_knowhow
利用支援の詳細
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• 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UDXh]p://www.hpci-office.jp/pages/seminar_hpc_170323※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UDXh]p://www.hpci-office.jp/pages/seminar_k_170327※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– 第4回高速化ワークショップ2017年3月24日（金） 秋葉原UDXh]p://www.hpci-office.jp/pages/ws_hpc_170324
告知
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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
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![【ご利用の手引き】パソコン編 ワンタイムパスワードのご利 …33 34 ワンタイムパスワードのご利用方法 [パソコン編] ワンタイムパスワードのご利用方法](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/609bdced792039367d3d0308/cffc-fffffff.jpg)
