3.9.3 「富岳」プロジェクト先端的数値解析の研究開発

ポスト「京」(現在の「富岳」)を有効に活用するため,ポスト「京」で重点的に取り組む社会的・科学的重要課題のひとつとして「地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築」を2019年度までに実施し,この過程で,大規模シミュレーションを可能とする先端的数値解析の研究開発のための基礎的な数理研究と計算科学研究の学理が涵養された.2020年度以降においては,「富岳」成果創出加速プログラムにおいて,「富岳」の性能を引き出すように計算科学・計算機科学の最先端技術を駆使して地殻変動・地震動・地盤震動・都市地震応答等の地震に関する高性能大規模シミュレーション手法を開発した.

上記の過程を通して,首都直下地震を対象とした山手線内の30万を超える構造物の地震動応答解析や10Hzまでの精度保証が可能な1000億~1兆自由度級の有限要素法モデルを用いた断層から地表までの地震動解析や地表近傍の堆積層による地盤震動解析を行うための数値計算技術が整備されつつある.また,地殻構造の幾何形状が地殻変動の弾性・粘弾性挙動に大きな影響を及ぼすことが指摘されていることから,これらの問題への展開も進められている.これらの解析技術は上記の基礎的な数理研究と計算科学研究に立脚する成果であり,ハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な賞のひとつであるゴードンベル賞の最終選考論文5編に2014年・2015年・2018年・2022年に選ばれるとともに,2016年・2017年においてはハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な国際会議のひとつであるSCにおいて受賞,2021年には富岳上で人工知能により物理シミュレーションを高速化する方法を開発することで,断層から都市までを単一の有限要素モデルにてモデル化し地殻中の波動伝播から地表付近での地盤増幅,構造物の応答までを高分解能で連成して解く世界で初めてのシミュレーションを実現 (HPC Asia 2022 Best Paper賞受賞)するなど,計算科学の分野においても高い評価を受けている.2022年においては高詳細3次元地殻構造モデルを対象に地殻の物性の曖昧さを考慮した地殻変動解析を計算可能とする,富岳全系までスケールする高効率確率有限要素解析手法を開発した.確率応答問題の数値解の信頼性の担保のためには空間方向に高詳細なメッシュを使うだけでなく,確率応答分布の収束のため10000回オーダーのモンテカルロシミューレーションが必要となり,膨大な計算コストが必要となる.本手法を使うことで1回の計算で確率応答分布を計算でき,従来手法比で100倍以上の計算速度向上を実現した(この研究は先述のゴードンベル賞の最終選考論文に選ばれた).また,データ駆動型手法を活用して高詳細3次元粘弾性地殻変動解析を高速化する手法も開発するなど,人工知能・データ駆動型手法と従来からのequation-basedな数値シミュレーション手法の融合などの新しい研究アプローチの開発も実施した.以上のように,新しい分野を開拓するとともに,継続的に高い国際的評価を受けている.