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巨大分子の第一原理シミュレーションの実現
－従来に比べ 2 桁以上大きな原子数を扱える大規模計算－ 配布日時：平成２６年１２月 ８日１４時 独立行政法人 物質・材料研究機構 University College London 概要１．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：潮田資勝）先端的共通技術部門（部門長：藤田大介）の 宮崎剛グループリーダーと英国University College London, London Centre for Nanotechnology の Dr. David Bowler（NIMS-MANA 併任）からなる研究チームは従来に比べ 2 桁以上多くの原子数を扱える大 規模な第一原理シミュレーション*1手法の開発に成功しました。これにより、これまで不可能だった生体 分子やナノ構造物質などの複雑な物質に対する原子・電子シミュレーションが可能となりました。 ２．物質は数多くの原子から成り立っており、物質の性質は原子の間に働く力や電子によって決まります。 そして、原子同士の力や電子の振る舞いは量子力学によって記述されます。量子力学にもとづく第一原理 シミュレーションは物質・材料の様々な現象を原子・電子レベルで明らかにできる強力な手法ですが、従 来の理論では、複雑かつ大規模な数値計算が必要となり、計算できる系のサイズが極めて小さい（通常数 百原子程度）という問題がありました。 ３．当研究チームでは、大規模なシミュレーションを高効率で行うことができる計算手法の実現を目指し てきましたが、今回、極めて高い精度での数値計算を実現しうる新たな技術を導入し、理化学研究所のス ーパーコンピュータ「京」や東京大学のスーパーコンピュータFX10 を用いる事によって、従来に比べて 2 桁ほども上まわる３万原子を越える巨大系に対して第一原理シミュレーションを行うことに成功しまし た。今回の成功により、将来百万個の原子・電子シミュレーションへの目処が立ったと言えます。 ４．今後、本研究手法による大規模シミュレーション手法を用い、従来の方法では計算不可能であった巨 大生体分子やナノ構造物質の原子・電子の振る舞い、複雑な界面における欠陥や不純物の制御方法等を理 論研究で明らかにしていくことを目指します。これらの研究は今後、創薬や次世代デバイスの開発に役立 つ事が期待されます。 ５．本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金 新学術領域研究『コンピューティクスによる物質デザ イン』（領域代表：東京大学工学部 押山淳）および文部科学省HPCI 戦略プログラム（SPIRE）分野２ 『新物質•エネルギー創成』(代表：常行真司)の一環として行われました。スーパーコンピュータによる計 算には理化学研究所計算科学研究機構のスーパーコンピュータ「京」（課題番号: hp120300, hp120301, hp130004, 140066）、および東京大学情報基盤センターのスーパーコンピュータ FX10（課題番号: hp140224）が使われました。
６．本研究成果は Journal of Chemistry Theory and Computation 誌の 2014 年 12 月 9 日発行号（Vol. 10 issue 12、 DOI：10.1021/ct500847y）にて掲載されます。
研究の背景 量子力学にもとづく第一原理シミュレーションは物質・材料の様々な現象を原子・電子レベルで明らか にできる強力な手法です。この方法は、実験結果を必要とせずに、原子の種類と位置だけを入力パラメー タとして、原子の間に働く力が高精度で計算されるので、現実にはまだ存在しない物質に対しても信頼性 の高いシミュレーションが可能です。しかし、第一原理計算には複雑かつ大規模な数値計算が必要になり ます。さらに通常の第一原理計算手法ではシミュレーションが行われる系のサイズが大きくなり、含まれ る原子数N が増加すると計算量が N の 3 乗に比例して急激に増加するために、計算できる系のサイズが 極めて小さい（通常数百原子程度）という問題がありました。このため、原子数が数万以上となる巨大生 体分子や実材料における複雑な表面構造や界面構造で起こる現象に対して第一原理シミュレーションを行 うことは不可能でした。 研究内容と成果 当研究チームでは、このサイズの問題を克服するために、大規模第一原理シミュレーションを実現可能 とするオーダーN 法*2という新しい計算手法の開発を行ってきました。しかし、数値計算の信頼度を十分 にするための計算時間などに問題があり、大規模・長時間のシミュレーションを安定して行うには限界が ありました。今回、高効率を保ちながら高い精度での数値計算を実現可能とする新しい技術（拡張ラグラ ンジアン断熱近似分子動力学法）をオーダーN 法に導入することにより、巨大な系に対しても高精度の第 一原理シミュレーションが可能となりました。その結果、理化学研究所計算科学研究機構のスーパーコン ピュータ「京」、東京大学情報基盤センターのスーパーコンピュータFX10 を用いる事によって、従来を 2 桁ほど上回る３万原子を越える巨大系に対して第一原理シミュレーションを実際に行うことに成功しまし た。これは、従来では不可能であった巨大な系に対する第一原理シミュレーションであり、世界最大規模 の第一原理シミュレーションです。図１に示すように、当研究チームが開発しているオーダーN 法第一原 理計算プログラムは「京」コンピュータを用いることによって、極めて効率の高い並列計算を行うことが 可能です。今回の成功により、将来百万個の原子・電子シミュレーションへの目処が立ったと言えます。 図１：開発しているオーダーN 法第一原理計算プログラムの 「京」（1CPU=8 コア）での計算時間。計算はシリコン系に対 するもので横軸は原子数を示す。百万原子系の第一原理計算 が可能となっていることが分かる。オーダーN 法であり、か つプログラムの並列化効率が理想的（２倍のCPU で２倍の計 算量）なので、原子数が２倍になっても２倍のCPU を使えば 計算時間が一緒であることが分かる。 2
今後の展開 第一原理シミュレーションは様々な物質・材料に適用できます。当研究チームでは、本研究で開発され た大規模シミュレーション手法を用い、今後、図２に示すような周りの環境（水溶媒、細胞膜など）を含 めた巨大生体分子やナノ構造物質における分子やイオン、原子、そして電子の振る舞い、さらに実材料に 存在する複雑な表面や界面における欠陥や不純物の制御方法等を第一原理シミュレーションにもとづいた 理論研究で明らかにして行く事を目指します。これらの研究は今後、創薬や次世代デバイスの開発に役立 つ事が期待されます。また、当研究チームで開発しているプログラムは、今後、一般に公開する予定であ り、材料研究を行っている多くの理論研究者に貢献できると考えています。 掲載論文
題目：Stable and Efficient Linear Scaling First-Principles Molecular Dynamics for 10,000+ atoms 著者：M. Arita, D. R. Bowler and T. Miyazaki
雑誌：Journal of Chemical Theory and Computation 掲載日時： 2014 年１２月９日 DOI：10.1021/ct500847y 用語解説 (1) 第一原理シミュレーション： 第一原理計算は、ナノスケールにおける物質に対する基本法則である 量子力学に基づいて、原子種、原子位置を入力値として電子状態を解く計算手法。実験結果を再現する ように適宜決められるパラメータが含まれず、実験とは独立に物質・材料の構造と性質を計算すること ができる。第一原理計算によって原子に働く力を高精度で求め、原子に働く力を用いてニュートンの運 動方程式を解くことによって、原子の運動を計算する手法を第一原理シミュレーションもしくは第一原 理分子動力学法と呼ぶ。実験結果が得られない未知物質や極限環境での物性予測も可能である。 (2) オーダーN 法：計算対象の系が含む原子数をN とすると、通常の第一原理計算手法における計算量は 図２：本研究における計算手法を用いて行った、水溶 媒中の DNA に対する第一原理シミュレーションによ るスナップショット構造。原子の間に働く力は第一原 理計算によって計算されている。（理研との共同研究） 3
N の 3 乗に比例して増加する。２倍大きな系を計算するためには、８倍の計算時間が必要になることか ら、通常の第一原理計算で大きな系を扱うことは難しい。一方、オーダーN 法は電子状態の局所性を利 用することにより、N に比例する計算量で電子状態を計算する方法であり、大規模系に対して有利な手 法である。 本件に関するお問い合わせ先 （研究内容に関すること） 独立行政法人 物質・材料研究機構 先端的共通技術部門理論計算科学ユニット量子物性シミュレーション グループ グループリーダー 宮崎剛（みやざきつよし） E-mail: [email protected] TEL: 029 (860) 4961 URL: http://www.nims.go.jp/group/g_first-principles-simulation/index.html Dr. David R. Bowler
University College London (UCL) / London Centre for Nanotechnology (LCN) Thomas Young Centre (TYC)
E-mail: [email protected] TEL: +44-20-7679-7229 URL: http://www.cmmp.ucl.ac.uk/~drb/ （報道・広報に関すること） 独立行政法人 物質・材料研究機構 企画部門 広報室 〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 TEL: 029-859-2026, FAX: 029-859-2017 E-mail: [email protected] Dr. Ivan Polancec
Coordinator, University College London (UCL) / London Centre for Nanotechnology (LCN) Thomas Young Centre (TYC)
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E-mail: [email protected]
