NAREGI 中間成果報告会

「ナノサイエンス実証研究」拠点報告

分子科学研究所 平田文男

http://nanogrid.ims.ac.jp/nanogrid1/index.html

NAREGIナノサイエンス実証拠点のミッション

ナノサイエンスの分野でグリッドミドルウエアの有効性を実証

（１）メタコンピューテイング

・従来型のコンピュータの枠を越えた計算・マシン間の超並列計算、異なる物理の階層間の連成計算、etc.

（２）ハイスループット

・計算機資源の有効活用

（３）リアルタイムコラボレーション

・異なる分野の研究者間の開発ソフトの即時共有・ひとつのグリッドノードにおける研究成果（プログラムの開発も含む）

をリアルタイムで共有。

何故、ナノサイエンスか？（産業・医療応用）

miRNA

RNA分解溶媒中

RISC

DICER

病気のRNA

遺伝子発現抑制 → 遺伝子治療

ナノサイエンスは２１世紀の技術基盤の鍵 ！！

何故、ナノサイエンスか？（学問的意義）

ミクロ ナノ マクロ(10-11～10-8 M) (10-9～10-6 M) ( 10-6～ )

目に見える物質

巨大分子分子集合体

電子、原子、分子

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統計力学熱力学、弾性体力学流体力学、電磁気学

量子力学力学 ??? ×

ナノレベルの現象を解明するためには分子レベルからの新しい理論的方法論の開発が必要

アプリケーション研究開発拠点研究体制 17. 7. 11 分子研

運営委員会

中村宏（分子研）、茅（理研）、福山（金研）、上田（物性研）、井上（金研）、小間（物構研）、江崎（化研）、寺倉（産総研）、中村道（日立）

拠点長 平田(分子研）自己評価委員会

藤原（東大工）、樋渡（金沢大理）、山口（阪大理）、北原（国際基督教大理）、

十倉（東大工）、柳田（阪大医）、磯田（化研）、高橋（豊田中研） 統括管理（事務局）

岡崎（分子研）、岡本（名大）、森田（分子研）

グリッド運用水谷（分子研）

グリッド環境グリッド実証研究

ナノ設計実証 （公募）

安東（味の素）研究グリッド産業応用協議会

ナノ磁性

高山（物性研）

強相関系、 、吸着子ナノドット、光誘起ナノ構造、量子ナノ構造、ナノスピングラス、強磁性ナノ粒子

システムのグリッド化

青柳（九大）

グリッドナノシミュレータの構築

平田（分子研）入出力ＧＵＩ，ナノ初期情報生成ツールアプリケーション間データ変換ツール

グリッドナノシミュレータ

機能性ナノ分子

永瀬（分子研）分子エレクトロニクス、分子磁性、分子カプセル、超分子、ナノ触媒、

フラーレン・ナノチューブ

ナノ電子系

前川（金研）

電子内部自由度制御、光スイッチ、スピントロニクス、磁気トンネル素子

ナノ分子集合体

岡崎（分子研）自己組織化集合体、タンパク質、生体膜、分子エレクトロニクス、ナノ空間分子集合体、ナノ量子系

国情研グリッド研究開発拠点

ナノ複合系設計

寺倉（産総研)量子細線、量子ドット、相分離合金系、基板、電極

標準データ形式

中村春（阪大）

研究開発の実施体制 (リーダーシップ、マネージメント、連携)

学：共同利用研究所基礎となる4分野担当： 機能性ナノ分子、ナノ分子集合体、

ナノ電子系、ナノ磁性

官：産総研 その複合化技術担当： ナノ複合系設計

産：公募企業、16社19件

分担研究代表者、5社

成果の産業への移転：

ナノ設計実証研究（各課題に担当教官→共同研究体制→産業活性化・産業界での人材育成へ貢献）

運営方針

我国の一流研究者が交流・刺激しあえる運営方針

→科学的・学問的創造性

公開シンポジウム（150名規模、3回開催）

国際会議（300名規模、1回開催（奈良））

国際会議（国際シンポジウム、50～180名規模、4回開催）

グリッド技術勉強会（50～60名規模、3回開催）

グリッドコンピューティング利用者向け講習会（20～45名規模、4回開催）

ミドルウェア利用講習会（60名規模、1回開催）

冬の学校（30名規模、2回開催）

マネージメント

産業からの要望を提言として適切に把握：

→研究グリッド産業応用協議会

→ユーザー会（公募研究）

グリッドナノシミュレータ：

ナノ分子計算のためのアプリケーション間データ変換ツール、GIANTなどのソフト開発へ反映

RISM勉強会を開催：

9回／年（10社）→技術移転と人材育成

実施体制の特徴

学術的研究成果：（１）ナノスケールの巨大分子の電子状態を計算する新しい方法論の開発および改良

3D-RISM/FMO法（新規提案）FMOによる蛋白質（１０００原子）の全電子計算（世界記録）

（２）溶液内の生体分子の折り畳み、およびナノ分子集合体形成をシミュレートする新しい方法論の構築および巨大計算3D-RISM/レプリカMC法（新規提案）１０００万原子系の分子動力学計算（世界記録）

（３）ナノ電子デヴァイスへの応用の基礎となる理論・方法論の開発および巨大計算ハッバード模型の厳密対角化計算コードの開発と計算（世界記録）密度行列繰り込み群法によるスペクトル計算（世界最高規模）

（４）ナノ磁気デヴァイスへの応用の基礎となる理論・方法論の開発および巨大計算磁気双極子系の磁気秩序形成における新奇な協力現象を発見

光誘起強誘電転移機構の解明（国際賞を受賞）

（５）ナノ電子・磁気デヴァイスへの直接の応用を目指した方法論の構築および巨大計算半無限固体の表面からの電子放出の計算手法を提案（世界初）電子レベルからマクロな相に至るマルチスケールシミュレーションに成功（世界初）

学問的研究成果 （研究の効率化と高度化）論文346報、総説・解説80報 (H15, 16年度) 重要論文は報告書参照。

FMO法の開発→タンパク質の全電子計算(1) 機能性

ナノ分子 分子軌道計算の並列アルゴリズムの開発→高速並列計算・実験に匹敵する精度

MD計算・多極子展開法の採用と800CPUの高並列化→1000万原子のMD計算

3D-RISM・高並列化による大規模メモリー利用→ナノ物質の計算が可能

連成計算・レプリカ交換MC－3D-RISM、MD-MO(Gaussian等市販ソフトを含む)

実スケール油膜の膜厚方向に沿った全原子シミュレーション→実現象と対応

1次元ハバード模型・動的密度行列繰り込み群法→非線形光学素子開発

ナノ磁性粒子配列・有限サイズ双極子系・並列化計算→新奇な協力現象の発見

光誘起ナノ構造・格子系に仮想速度場導入・QMC法演算時間1/3→ナノ光デヴァイス

強レーザー照射多電子ダイナミクス：実時間・実空間アプローチ→電子励起：光応答

鈴木・Trotter法導入＋平面波基底→時間依存密度汎関数法（グリッドMPI並列化）

ナノ組織化材料：第一原理計算からフェーズフィールド法→実用材料機能理論予測

GIANTの開発→任意のソフト間の任意な結合→学際的研究分野、異分野技術へ

GIANT：テンプレート形式採用→データ受け渡しの際の、高度な汎用性の確保

GIANT：標準データ形式BMSML採用→データ受け渡しの際の、データの自動解釈

2次元ハバード模型・大規模厳密対角化法→光学伝導度・高温超伝導(3) ナノ電子系

ナノ磁性体の第一原理計算・プログラム二重並列化→金属表面構造の最適化

(4) ナノ磁性

電子伝導現象の解析・リカージョン伝達行列法の一般化→量子細線＋電極複合系

(5) ナノ複合系設計

ナノ初期情報生成ツール→溶媒を含む大規模な初期構造を短時間で生成

(6) グリッドナノシミュレータ

(2) ナノ分子

集合体

グリッド環境を有効に使う新しい方法論の開発における成果：

メタコンピューテイング:ワークフローによる異なるサイト間の連成計算（RISM/FMO(WP6)、REPLICA-MC/3D-RISM、MD-MO）

GRIDMPIを使った機種に依存しない資源の有効利用（巨大分子電子状態計算、光誘起相転移、時間依存密度汎関数法）

ハイスループット:RPCを使ったパラメタサーベイ（熱力学的積分法、密度行列繰り込み群法、エワルド法）

リアルタイムコラボレーション：異種プログラムのデータ交換を行うソフトウエア（グリッドナノシミュレータ / GIANT）

グリッドナノシミュレータグリッドナノシミュレータ

PSE, ワークフローGUI、スケジューラ、・・・・デプロイ、実行、連成、・・・・・

mother screen実行フロー（コントロールフロー、データフロー）の指定と実行

WP1, WP2, WP3, WP5, WP6

入力ＧＵＩ各プログラムの入力データ

温度、圧力、原子数、ステップ数basis set、CI、収束条件、座標、・・・

ＧＩＡＮＴで出力

ナノ初期情報生成ツールタンパク質、核酸、有機低分子、固体、結晶

水素の付加、水の付加結合情報、ｘｙｚ座標、力場パラメータ、・・・・

ＧＩＡＮＴで出力

標準データ形式BMSML, CML

アプリケーション間データ変換ツール（GIANT）

変数定義テンプレート、入出力テンプレート拡張標準データ形式

BMSML, CML , バイナリ

ＭＤ ＲＩＳＭ ＭＯ ・・・・・ ・・・・・固体電子

標準データ形式GIANT

標準データ形式GIANT

標準データ形式GIANT

標準データ形式GIANT

標準データ形式GIANT

標準データ形式GIANT

標準データ形式

標準データ形式

標準データ形式

アプリケーションソフトNAREGI開発ソフト

その他のソフトも組み込み可ＧＩＡＮＴで入出力

学術的活動の成果および社会への情報発信活動 (1)

① 学術活動の成果１（研究論文－発表先、受賞等）

平成15年度 平成16年度

学術論文 112報 234報

総説解説 33報 47報

受賞など 3件 4件

代表的発表先 平成15年度 平成16年度

J. Chem. Phys. 15報 28報

J. Am. Chem. Soc. 4報 8報

J. Phys. Chem. 6報 13報

Chem. Phys. Lett. 14報 25報

Phys. Rev. 15報 30報

Phys. Rev. Lett. 2報 4報

J. Phys. Soc. Jpn. 7報 15報

他 49報 111報

合計 112報 234報

②学術活動の成果２（研究発表・講演－発表先等）

平成15年度 平成16年度

招待講演（国内会議）

55件 54件

招待講演（国際会議）

70件 87件

口頭発表（国内会議）

110件 207件

口頭発表（国際会議）

68件 130件

※詳細は、別添資料、学術活動の成果１参照。

※詳細は、別添資料、学術活動の成果２参照。

学術的活動の成果および社会への情報発信活動 (2)

メディアへの情報発信、及び、新聞報道等の実績○中日新聞 ２００４年２月２３日（月）「グリッドで科学計算 日立など１１社と研究 岡崎国立共同研究機構」

○日本経済新聞 ２００４年３月１９日（金）「岡崎国立共同研究機構 超高速計算網を導入 ナノテク研究に活用」

○日刊工業新聞 ２００４年３月１９日（金）「研究用グリッドコンピューティング 1秒間に演算１０兆回 岡崎国立共同研が運用」

○中日新聞 ２００４年３月２０日（土）「1秒で１０兆回演算 岡崎国立研究機構 新コンピューター披露」

○東海愛知新聞 ２００４年３月２３日（火）「異なるシステム一体化 岡崎国研の分子科学研 超高速で情報通信可能」

○山陽新聞 ２００４年６月５日（土）「極細筒型炭素中で新性質 岡山大・田中教授ら解明」

ウェブサイト等での情報公開への取り組み本拠点のホームページを公開し、積極的にタイムリーな情報発信に努めている。○日本文（ http://nanogrid.ims.ac.jp/nanogrid/index.html ）○英 文（ http://nanogrid.ims.ac.jp/nanogrid/index_e.html ）

その他の広報活動による社会への情報発信への取組み（グリッドに関わる総説）○平田文男、「計算科学的手法でたんぱく質の構造を解明－ナノサイエンスで新しい方法論の構築目指す、

エレクトロニクスや医薬品の開発で重要に－」、日経先端技術、2004.03.08、16-20 (2004).○平田文男、「グリッドコンピューティングが拓くナノサイエンス」、化学、59巻(No.6)、32-37 (2004).

（パンフレット）○和文パンフレット「ナノサイエンス実証研究」の配布○英文パンフレット「Computational Nanoscience」の配布

（公開シンポジウム、国際会議等各グループ主催のシンポジウムの開催）

産学連携の取り組み（研究グリッド産業応用協議会と連携）

（１）基礎学術成果の産業への移転

（２）グリッドナノシミュレータの開発市販のプログラム（Gaussianなど）の即時組み込み可

（３）支援体制の整備

（４） 知的財産権に関するルールづくり

（５）「ナノ設計実証」公募研究の実施

（６）RISM勉強会（教育、人材育成）

産学連携（研究グリッド産業応用協議会）

基礎学術成果の産業への移転（研究成果の企業などでの利用/試用状況など）

○三菱重工への溶媒和理論研究のノウハウの情報提供と共同研究○日立製作所とのメソポーラス材料ナノ空間—吸着分子相互作用の共同研究

○開発したMDプログラムの利用（（財）電中研）○3D-RISM（RISM勉強会の実施；旭化成、三井化学、旭硝子、昭和電工、日本ゼオン、日本触媒、ダイセル化学工業、出光興産、JSR、花王）

○ナノ磁性粒子系のダイナミックス（日立、日立金属）○東芝との光誘起ナノ構造形成における非断熱遷移シミュレーションの共同研究

○富士通からの研究者が分子素子への利用を目標として、カーボンナノチューブの成長過程の解析を、産総研の研究者が開発中の大規模電子状態計算手法を用いて行うことを計画している。

○グリッドナノシミュレータのナノ設計実証研究（企業公募研究）への試行的提供

平成17年度・「ナノ設計実証」公募研究課題一覧 (16社19件)

No 課題名 実施企業

1 ナノスケールにおける触媒反応の解析と新規触媒の開発 旭化成(株)

2 RISM－SCF法を用いた分子物性および化学反応に対する溶媒効果への適用 三井化学(株)

3 拡張アンサンブル分子動力学シミュレーションプログラムの開発と酵素触媒の活性コンフォーメーション探索

三井化学(株)

4 アスパラギン酸プロテアーゼのリガンド結合形式に関する研究 住友製薬(株)

5 核内レセプターのシグナル伝達に関する分子メカニズム解析 住友製薬(株)

6 ナノ磁性粒子集合体の磁化分布解析 日立金属(株)

7 シリコンナノデバイス用高誘電率ゲート絶縁膜材料の劣化過程の研究 (株)富士通研究所

8 時間依存解析に基づく物性量の算出 住友化学(株)

9 光励起・緩和過程における多体効果の量子動力学的解析 (株)東芝

10 ナノ領域における希薄混合流体の動的挙動解析 (株)東芝

11 RISM法による溶液中の物性推算手法の研究－酸強度の推算－ 旭硝子(株)

12 RISM法による溶媒－溶質相互作用を取り入れた物性推算手法の研究 昭和電工(株)

13 RISM法による溶液中の物性推算手法の研究－溶解度の推算－ 日本ゼオン(株)

14 RISM法による溶液中の物性推算手法の研究－溶媒和のpKaへの効果の推算－ (株)日本触媒

15 RISM法による溶液中の物性推算手法の研究－反応および活性化自由エネルギーの推算－ ダイセル化学工業(株)

16 RISM法を用いたpKa、log Powの算出 出光興産(株)

17 RISM法を用いたpKa、log Powの算出 JSR(株)

18 両親媒性分子の水溶液構造ならびに熱力学物性の解析 花王(株)

19 ナノスケールによる物性制御へのアプローチと材料設計 (財)電力中央研究所

産業支援体制の整備（ナノ設計実証研究）

支援項目 取り組み 効果

ナノ初期情報生成ツールの開発作業性、操作性の抜本的改善（例）タンパク質の初期構造生成：２～３週間が数時間になる

アプリケーション間データ変換ツール（ＧＩＡＮＴ）の開発

・開発ソフト、市販ソフト、フリーウェア等を自由に組み合わせて利用可能になる・プログラムの使用ごとに数時間かけていたデータ形式の変換作業が不要になる

入力ＧＵＩの開発高度に訓練された研究者でなくても入力データの作成が可能になる

開発プログラムの提供

各種開発ソフトウェアの提供 研究範囲の拡大、計算効率の向上

計算機資源の提供

ＳＲ１１０００：４ノードＨＡ８０００：４８ノード

大規模計算が実行可能になる

支援体制の整備・サポート要員の配置・プログラム相談、実行時の相談・主要プログラムの実行事例集の作成

疑問点、不明点の早期解決が可能になる

マニュアル、利用の手引きの整備

マニュアルの充実およびホームページへの掲載

マニュアルを常時参照が可能になる

共同研究スペースの整備

計算科学研究センター内の訪問者用公開研究室の設置

関係者が集まっての検討、討論が可能になる

グリッドナノシミュレータの開発

(5) 今後の展望産業界の具体的なニーズの例 (その１)

No 企業名 効果の対象製品、技術 市場規模本プロジェクトの計算科学導入による効果

１ 自動車 潤滑油膜シミュレーションにより最適な粘度・粘着摩擦特性を出す

日本：4200億円/年世界：2.1兆円/年

・試薬合成費：数十～数百万円が数万円に・試薬合成必要日数：数週間～数ケ月が数日間に

２ 化学 高分子電解質の構造と機能①固体高分子型燃料電池②ポリマーアクチュエータ

①自動車、携帯機器10-15年後１兆円②医療用途マイクロアクチュエータ：１兆円の市場を形成する可能性

長期プロジェクト1件当り3~5千万円の効率化効果を期待

３ 電機 スピントロニクス応用の超高密度磁気記録デバイスの開発

１兆円/月（携帯情報機器、デジタル情報家電、PC）

試作開発費の2-3割低減

４ 通信 電子励起下での物質の光学応答、高速反応の計算による材料の加工技術の開発Ex.熱・化学反応に替わる光励起による低温高速反応

工程・製造プロセスの開発市場：数百億円

開発時間：半減廃棄物：半減

(5) 今後の展望産業界の具体的なニーズの例 (その2)

５ 通信 ①半導体電子のスピン制御により、超高速、超消費電力、高機能の量子情報処理デバイス②カゴメ型格子を持つ量子ドット格子は強磁性体になる可能性をシミュレーションにより予測

1ｹ月かかる試作が数時間で済む

６ 電機 ①生化学センシング：ラボオンチップ、バイオメモリ②微小化学プラント

①2010年486億円②化学プラント2兆円の3割（数千億円）

７ 製薬 標的蛋白質に作用する経口剤の開発

生活習慣病治療薬等。世界1000億円

１億円のコスト削減

ＲＩＳＭ法の利用により(1)新製品の創出①エレクトロニクス高分子材料②燃料電池③イオン性液体④スーパーキャパシタ

(1)世界市場①2004年 2兆円②2020年 1兆2千億円③電気二重層キャパシタ2010年 300億円

(2)主力事業、高収益化①高分子材料全般②フッ素系材料③酢酸セルロース④潤滑油⑤界面活性剤

(2)開発コストの削減

・数億円/社・化学産業界全体で数十億円

９ 電力 夜間電力の潜熱蓄熱物質の開発 ①エネルギーの有効利用②CO2の削減

８ 化学

産業応用の具体的成果（例）

炭素細孔中の電気二重層の構造とスーパーキャパシタ（A. Tanimura, A. Kovalenko, F.H.）

The electric energy storage system utilizing charge-discharge process of an electric double layer on porous electrodes.

Charge

Discharge

planar condenser µF/cm3

EDLC F/cm3

Electrolyte

Electrode

electric carsub power source

cellular phonememory back-up

AC, ACF, PVDC, ..

H2SO4/aq., KOH/aq., LiClO4/PC, ..

REPLICA-RISM理論に基づいてスーパーキャパシタの電気容量を予測、作動原理を解明

スーパーキャパシタ容量の

計算結果

Capacitance (F/cm3)NaCl 20.13KCl 23.53CsCl 26.68KCl 23.53KBr 24.51H2SO4 260*

我々が目指しているもの。

（１）ナノサイエンス分野における最高の方法論的達成に基づく実証研究を通じて我が国のグリッドコンピューテイング技術確立に貢献する。

（２）ナノサイエンス分野における新しい方法論の構築を通して、２１世紀における我が国の技術基盤の確立に貢献する。（米１００俵の精神）

（３）同様に、基礎科学分野の学問的発展に貢献する。

トランジスタの発明 固体物理

ナイロンの発明 高分子科学

？？？ナノ物質