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ABINIT-MP Openシリーズ(Ver. 1 Rev. 15)

※2018年2月版(Ver.1 Rev.10)に関するページはこちらです

はじめに

ABINIT-MPは、フラグメント分子軌道(FMO)計算を高速に行えるソフトウェアです[1]。専用GUIのBioStation Viewerとの連携により、入力データの作成~計算結果の解析が容易に行えます。4体フラグメント展開(FMO4)による2次摂動計算も可能です。また、部分構造最適化や分子動力学の機能もあります。FMOエネルギー計算では、小規模のサーバから超並列機の「京」まで対応しています(Flat MPIとOpenMP/MPI混成)。


[1]“Electron-correlated fragment-molecular-orbital calculations for biomolecular and nano systems”, S. Tanaka, Y. Mochizuki, Y. Komeiji, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10310-10344.

特徴

ABINIT-MPは使い易いFMOプログラムで、4体フラグメント展開までが可能です。研究室単位のLinux/Intel系サーバに標準搭載されているMPI環境で動作しますし、特別な設定も必要ありません。また、煩雑で注意深さを要するフラグメント分割を伴う入力データの作成は随伴GUIのBioStation Viewer(Windowsで動作)を使うなどすれば容易に作成出来ます。また、フラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)などの計算結果は膨大となりプリントからの理解はしばしば困難ですが、Viewerを使うと可視的・直観的に対象系の相互作用の様態を把握出来ます。

開発の経緯

ABINIT-MPプログラムは、東京大学生産技術研究所を拠点とする「戦略的基盤ソフトウェアの開発」、「革新的シミュレーションソフトウェアの開発」、「HPCI戦略分野4 次世代ものづくり」の一連のプロジェクト(代表:東京大学 加藤千幸教授)、さらにJST-CREST「シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築」(代表:神戸大学 田中成典教授)と立教大学SFR(担当:望月祐志)などの支援を得て、10年以上に渡って開発が進められてきました。Intel Xeon (IA64)系バイナリは、Ver.7が東京大学生産技術研究所の革新的シミュレーション研究センター[2]で利用可能となっています(2019年3月時点)。

現在は、東京大学工学研究科を代表拠点とする「フラッグシップ2020 重点課題6」(代表:東京大学 吉村忍教授)[3]の中で、Openシリーズとして機能強化・高速化とリリースが行われています(取り纏め責任者:立教大学 望月祐志)。第一版は、バイナリで公開してきましたVer. 7を元にメモリー要求の軽減などの改良を施したもので、2016年12月にまとまったVer. 1 Rev. 5です。Rev. 5は、HPCI関係では理研AICSの「京」、東京工業大学のTSUBAME、東京大学・筑波大学のJCAHPCのOakForest-PACSにライブラリ(バイナリ)として提供されました。

Ver. 1 Rev. 5をベースとして成分毎の相互作用エネルギー解析(PIEDA)[4]、局在化軌道による分散力の局所解析(FILM)[5]などの機能強化を図った版が2018年2月リリースのVer. 1 Rev. 10です。また、OakForest-PACS向けでは利用頻度の高いMP2エネルギーでOpenMP/MPI/MPIの3階層の並列化実行も可能となりました(OakForest-PACSなどのメニーコア環境への対応)。

2019年3月リリース最新のVer. 1 Rev. 15では、ペプチド結合部分のカルボニル酸素(>C=O)による相互作用で、しばしば問題になってきた「相互作用フラグメントの帰属ズレ問題」に対する解決策の一つとして、部分3体展開下でsp2混成炭素(BDA)でのフラグメント切断が可能となりました。エネルギー微分にも対応しています(論文投稿を準備中)。もう一つの新規機能は、局所応答分散(LRD)[6]によってMP2に代わって分散力による安定化エネルギーを算定出来るようになったことで(論文投稿を準備中)、計算コストとメモリー要求がMP2に比して低いので大きな系を扱うのに有利です。また、結合クラスター展開(CCSD(T)も可)と多体摂動(MBPT)のモジュール[7]が旧JST-CREST版から移植されました。その他、ポアソンボルツマン(PB)型の水和でキャビティを定義する有効原子半径の汎用性を上げています。


[2] http://www.ciss.iis.u-tokyo.ac.jp/

[3] http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/

[4] “Pair Interaction Energy Decomposition Analysis”, D. G. Fedorov, K. Kitaura, J. Comp. Chem. 28 (2007) 222.

[5] “Fragment interaction analysis based on local MP2”, T. Ishikawa, Y. Mochizuki, S. Amari, T. Nakano, H. Tokiwa, S. Tanaka, K. Tanaka, Theor. Chem. Acc. 118 (2007) 937.

[6] “Density functional method including weak interactions: Dispersion coefficients based on the local response approximation”, T. Sato, H. Nakai, J. Chem. Phys. 131 (2009) 224104-1.

[7] “Higher-order correlated calculations based on fragment molecular orbital scheme”, Y. Mochizuki, K. Yamashita, T. Nakano, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, N. Taguchi, and S. Tanaka, Theor. Chem. Acc. 130 (2011) 515.

Open Ver. 1 Rev. 15 (2019年3月版)の主な機能

上記にもありますが、Open Ver. 1 Rev. 15でのRev. 10に対しての機能追加の大きなポイントは、sp2炭素による切断(ペプチド結合でのフラグメント分割が可能)とLRDによる分散力補正(PIEDAでも可能)です。

  • エネルギー

→ FMO4: HF, MP2 (CD)

→ FMO2:HF, LRD, MP2, MP3, CC/MBPT

  • エネルギー微分

→ FMO4: HF, MP2

→ FMO2: MP2構造最適化, MD

  • その他機能

→ sp2炭素での切断 (FMO3SL下)

→ SCIFIE, CAFI, 重要データ書出し

→ MCP, PB水和, BSSE-CP

→ PIEDA, FILM

→ GUI(BioStation Viewer)

  • 並列化環境(PC~スパコン)

→ MPI, OpenMP/MPI混成

→ MP2エネルギーはOpenMP/MPI/MPIの3階層混成

→ 最深部はBLAS処理 (DGEMM)

 

Open Ver. 1 Rev. 15 (2019年3月版)の開発者

望月祐志*(立教大学 理学部), 中野達也(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 坂倉耕太(NEC), 沖山佳生(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 秋永宜伸(ヴァイナス), 渡邊啓正(HPCシステムズ), 加藤幸一郎(みずほ情報総研), 佐藤伸哉(NECソリューションイノベータ), 山本純一(NECソリューションイノベータ), 山下勝美(元 NECソフト), 村瀬匡(元 NECソフト), 石川岳志(鹿児島大学 学術研究院 理工学域工学系), 古明地勇人(産業技術総合研究所 バイオシステム部門), 加藤雄司(元 立教大学 理学部), 渡辺尚貴(みずほ情報総研), 塚本貴志(みずほ情報総研), 森寛敏(中央大学 理工学部), 奥脇弘次(星薬科大学 薬学部), 田中成典(神戸大学大学院 システム情報学研究科), 加藤昭史(スコーピオンテック), 渡邉千鶴(理研 横浜), 福澤薫(星薬科大学 薬学部)

(*取り纏め責任者)

応用分野

ABINIT-MPのFMO計算は、開発当初から生体分子関係、特にタンパク質とリガンド(薬品分子)の複合系に対して主に用いられてきました。これは、計算で得られるフラグメント間相互作用エネルギーがアミノ酸残基間、あるいはリガンド-アミノ酸残基間の相互作用の状態を理解するのに好適なためです[1]。しかし、FMO計算は生体系に限られるだけでなく、水和凝集系や一般の高分子、あるいは固体なども扱える潜在力を持っています。実際、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発活動の中では、有効相互作用パラメータをFMOで求めて高分子の粗視化シミュレーションを行うマルチスケール計算手法と応用が進められています[8-11]。ABINIT-MPの応用は、今後はこうした一般の化学工学や材料科学、あるいは応用物理関係の分野へも広がっていくことを期待していますし、そのための整備とエビデンスの集積を推進していきます。また、多構造サンプルの計算結果を統計的に解析する試み(機械学習も適宜利用)も始まっています[12,13]。

 


[8] “Fragment Molecular Orbital-based Parameterization Procedure for Mesoscopic Structure Prediction of Polymeric Materials”, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, H. Doi, T. Ozawa, J. Phys. Chem. B 122 (2018) 338.

[9] “フラグメント分子軌道(FMO)法を用いた散逸粒子動力学シミュレーションのための有効相互作用パラメータ算出の自動化フレームワーク”, 奥脇弘次, 土居英男, 望月祐志, J. Comp. Chem. Jpn. 17 (2018) 102.

[10] “Dissipative particle dynamics (DPD) simulations with fragment molecular orbital (FMO) based effective parameters for 1-Palmitoyl-2-oleoyl phosphatidyl choline (POPC) membrane”, H. Doi, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, T. Ozawa, K. Yasuoka, Chem. Phys. Lett. 684 (2017) 427.

[11] “Theoretical Analyses on Water Cluster Structures in Polymer Electrolyte Membrane by Using Dissipative Particle Dynamics Simulations with Fragment Molecular Orbital Based Effective Parameters”, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, H. Doi, S. Kawada, T. Ozawa, K. Yasuoka, RSC Adv. 8 (2018) 34582.

[12] “FMOプログラムABINIT-MPの開発状況と機械学習との連携”, 望月祐志, 坂倉耕太, 秋永宜伸, 加藤幸一郎, 渡邊啓正, 沖山佳生, 中野達也, 古明地勇人, 奥沢明, 福澤薫, 田中成典, J. Comp. Chem. Jpn. 16 (2017) 119.

[13] “Destabilization of DNA through interstrand crosslinking by UO22+”, A. Rossberg, T. Abe, K. Okuwaki, A. Barkleit, K. Fukuzawa, T. Nakano, Y. Mochizuki, S. Tsushima, Chem. Comm. 55 (2019) 2015.

Openシリーズの今後のリリース

ABINIT-MPには、主に開発の経緯的な事由から「ローカル版」が存在しています[1]。これらでは、励起エネルギーや動的分極率の算定、さらに結合クラスター展開による高精度エネルギー計算などが利用出来ます。こうした機能に関心を持たれる方も居られますし、手持ちのマシン環境によっては再コンパイルやチューニングのためにソースを所望される場合もあります。こうした状況を改善すべく、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発の中で産官学を交えたコンソーシアム的な組織でABINIT-MPのソース共有を行い、継続的なコード開発・改良と保守を図っていく活動の中でリリースされていくのがOpenシリーズです。なお、GUI であるBioStation Viewerについては2018年の秋から星薬科大学の福澤薫准教授に更新・整備の管轄が移りました。

2019年度は、Ver. 1 Rev. 15に対して旧JST-CREST系の励起エネルギー算定機能[14]の復活を図り、Rev. 20を調製します。また、福澤准教授関係の厚労省AMED/BINDS系の成果として、部分構造最適化に好適な凍結領域制限(FD)[15]の機能、それに国立医薬品食品衛生研究所の沖山佳生氏によるポアソン-ボルツマン型溶媒和の新しいモデル(PBSA)[16]も導入される予定です。リリースは2019年の10月の予定ですが、Ver. 1の更新としてはここまでとなります。

大きな改造を伴いつつ整備を進めてきているOpen Ver.2では、石村和也氏のSMASH[17]から提供いただいている積分モジュールやDFT機能を前面に出すことになります(LRDでの数値積分でDFTのルーチンを既に一部利用)。また、また2電子積分の恒等分解(RI)のモジュール(C言語で記述)を鹿児島大学の石川岳志教授のPAICS[18]から移植(作業はほぼ完了)してRI-MP2エネルギーと微分が利用可能となります。Ver. 2のリリースは2020年の1月の見込みです。

ソースの共有とは別にOpenシリーズでも従来のバイナリでの提供も続ける予定で、以下のようなプラットフォームを対象にしています(2019年3月時点)。

  • PC: Windows (64 bit)
  • 小規模サーバ: Intel Xeon (IA64) & Xeon Phi (Knights Corner & Landing)
  • スーパーコンピュータ: 富士通系{「京」, FX-10, FX-100, OakForest-PACS}

この他、海洋研究開発機構 地球情報基盤センターのご支援により、ベクトル型スーパーコンピュータであるNECのSX-ACEにも対応作業を進めています。

HPCI拠点でのライブラリプログラムとしての登録は、高度情報科学技術研究機構(RIST)のご支援を2018年度の下期から受けており、Ver. 1 Rev. 15等についても整備を進めていく予定です。


[14] “Parallelized integral-direct CIS(D) calculations with multilayer fragment molecular orbital scheme”, Y. Mochizuki, K. Tanaka, K. Yamashita, T. Ishikawa, T. Nakano, S. Amari, K. Segawa, T. Murase, H. Tokiwa, M. Sakurai, Theor. Chem. Acc. 117 (2007) 541.

[15] “Geometry Optimization of the Active Site of a Large System with the Fragment Molecular Orbital Method”, D. G. Fedorov, Y. Alexeev, K. Kitaura, J. Phys. Chem. Lett. 2 (2011) 282.

[16] “Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the Poisson-Boltzmann Equation: II. Protein and Its Ligand-Binding System Studies”, Y. Okiyama, C. Watanabe, K. Fukuzawa, Y. Mochiuzki, T. Nakano, S. Tanaka, J. Phys. Chem. B, 123 (2019) 957.

[17] http://smash-qc.sourceforge.net/

[18] http://www.paics.net/

FMO創薬コンソーシアム

2015年度から「FMO創薬コンソーシアム」(代表:星薬科大学 福澤薫 准教授)が産官学で組織され、「京」を計算資源としてABINIT-MPによるFMO計算基づくタンパク質・リガンドの相互作用解析が進められています[19]。重要な創薬ターゲットが設定されており、当該領域の共有基盤となる知見(特にIFIEのデータセット)が蓄積されています(IFIEはデータベース公開)[20]。ABINIT-MPはOpenシリーズとして改良が続けられていきますが、このコンソーシアムは実践的な利用者コミュニティとして重要な役割を果たしていくことになります。


[19] http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/fmodd/

[20] “Development of an automated fragment molecular orbital (FMO) calculation protocol toward construction of quantum mechanical calculation database for large biomolecules”, C. Watanabe, H. Watanabe, Y. Okiyama, D. Takaya, K. Fukuzawa, S. Tanaka, T. Honma, CBI-J. 19 (2019) 5.

開発系コンソーシアム

ABINIT-MPのOpenシリーズの開発や保守にソースレベルでコミットしていただくための産官学の枠組みです(コンタクト先:立教大学 望月祐志)。バグ情報と対策、新規開発の機能のシェアなど意図していますが、参画される企業様が商用に独自の高速化や改良を図ることは基本的に可とする方針です。現初期段階では、個別にご参画をお願い・確認させていただいて立上げようとしているところです。今後、このコンソーシアムについても情報を更新していく予定です。

コンタクト

ABINIT-MPのOpenシリーズのご利用、あるいは開発系コンソーシアムにご関心のある方は、立教大学の望月祐志(fullmoon -at- rikkyo.ac.jp)にメールにてご連絡いただければと思います(-at-を@に変換してください)。ご所望の利用形態に応じて、個別に契約書面の取り交わしをさせていただき、ご提供したいと思います。よろしくお願いいたします。

ABINIT-MP Openシリーズ(Ver. 1 Rev. 10)

※2016年12月版(Ver.1 Rev.5)に関するページはこちらです

はじめに

ABINIT-MPは、フラグメント分子軌道(FMO)計算を高速に行えるソフトウェアです[1]。専用GUIのBioStation Viewerとの連携により、入力データの作成~計算結果の解析が容易に行えます。4体フラグメント展開(FMO4)による2次摂動計算も可能です。また、部分構造最適化や分子動力学の機能もあります。FMOエネルギー計算では、小規模のサーバから超並列機の「京」まで対応しています(Flat MPIとOpenMP/MPI混成)。


[1]“Electron-correlated fragment-molecular-orbital calculations for biomolecular and nano systems”, S. Tanaka, Y. Mochizuki, Y. Komeiji, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10310-10344.

特徴

ABINIT-MPは使い易いFMOプログラムで、4体フラグメント展開までが可能です。研究室単位のLinux/Intel系サーバに標準搭載されているMPI環境で動作しますし、特別な設定も必要ありません。また、煩雑で注意深さを要するフラグメント分割を伴う入力データの作成は随伴GUIのBioStation Viewer(Windowsで動作)を使うなどすれば容易に作成出来ます。また、フラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)などの計算結果は膨大となりプリントからの理解はしばしば困難ですが、Viewerを使うと可視的・直観的に対象系の相互作用の様態を把握出来ます。

開発の経緯

ABINIT-MPプログラムは、東京大学生産技術研究所を拠点とする「戦略的基盤ソフトウェアの開発」、「革新的シミュレーションソフトウェアの開発」、「HPCI戦略分野4 次世代ものづくり」の一連のプロジェクト(代表:東京大学 加藤千幸教授)、さらにJST-CREST「シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築」(代表:神戸大学 田中成典教授)と立教大学SFR(担当:望月祐志)などの支援を得て、10年以上に渡って開発が進められてきました。Intel Xeon (IA64)系バイナリは、Ver.7が東京大学生産技術研究所の革新的シミュレーション研究センター[2]で利用可能となっています(2018年1月時点)。

現在は、東京大学工学研究科を代表拠点とする「フラッグシップ2020 重点課題6」(代表:東京大学 吉村忍教授)[3]の中で、Openシリーズとして機能強化・高速化とリリースが行われています(取り纏め責任者:立教大学 望月祐志)。第一版は、バイナリで公開してきましたVer. 7を元にメモリー要求の軽減などの改良を施し、2016年12月にまとまった版がVer. 1 Rev. 5です。Rev. 5は、HPCI関係では理研AICSの「京」、東京工業大学のTSUBAME、東京大学・筑波大学のJCAHPCのOakForest-PACSにライブラリ(バイナリ)として提供されました。

Ver. 1 Rev. 5をベースとして成分毎の相互作用エネルギー解析(PIEDA)[4]、局在化軌道による分散力の局所解析(FILM)[5]などの機能強化を図った最新版が2018年2月リリースのVer. 1 Rev. 10になります。また、OakForest-PACS向けでは利用頻度の高いMP2エネルギーでOpenMP/MPI/MPIの3階層の並列化実行も可能となりました。


[2] http://www.ciss.iis.u-tokyo.ac.jp/

[3] http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/

[4]  “Pair interaction energy decomposition analysis”, D. G. Fedorov, K. Kitaura, J. Comp. Chem. 28 (2007) 222-237.

[5] “Fragment interaction analysis based on local MP2”, T. Ishikawa, Y. Mochizuki, S. Amari, T. Nakano, H. Tokiwa, S. Tanaka, K. Tanaka, Theor. Chem. Acc. 118 (2007) 937-945.

Open Ver. 1 Rev. 10 (2018年2月版)の主な機能

Open Ver. 1 Rev. 10はこれまでバイナリで公開してきましたVer. 7に準拠していますが、モデル内殻ポテンシャル(MCP)が追加され、メモリ管理の改良によって動作の安定性が向上しています。

  • エネルギー

→ FMO4: HF, MP2 (CD)

→ FMO2: HF, MP2, MP3

  • エネルギー微分

→ FMO4: HF, MP2

→ FMO2: MP2構造最適化, MD

  • その他機能

→ SCIFIE, CAFI, 重要データ書出し

→ MCP, PB水和, BSSE-CP

→ PIEDA, FILM

→ GUI(BioStation Viewer)

  • 並列化環境(PC~スパコン)

→ MPI, OpenMP/MPI混成

→ MP2エネルギーはOpenMP/MPI/MPIの3階層混成(OakForest-PACS向け)

→ 最深部はBLAS処理

 

Open Ver. 1 Rev. 10 (2018年2月版)の開発者(所属)

望月祐志*(立教大学 理学部), 中野達也(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 坂倉耕太(NEC), 沖山佳生(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 秋永宜伸(ヴァイナス), 渡邊啓正(HPCシステムズ), 加藤幸一郎(みずほ情報総研), 佐藤伸哉(NECソリューションイノベータ), 山本純一(NECソリューションイノベータ),山下勝美(元 NECソフト), 村瀬匡(元 NECソフト), 石川岳志(長崎大学 医歯薬学総合研究科), 古明地勇人(産業技術総合研究所 バイオシステム部門), 加藤雄司(元 立教大学 理学部), 渡辺尚貴(みずほ情報総研), 塚本貴志(みずほ情報総研), 森寛敏(お茶の水女子大学大学院 人間文化創成科学研究科), 田中成典(神戸大学大学院 システム情報学研究科), 加藤昭史(元 みずほ情報総研), 福澤薫(星薬科大学 薬学部), 渡邉千鶴(理研 横浜)

(*取り纏め責任者)

応用分野

ABINIT-MPのFMO計算は、開発当初から生体分子関係、特にタンパク質とリガンド(薬品分子)の複合系に対して主に用いられてきました。これは、計算で得られるフラグメント間相互作用エネルギーがアミノ酸残基間、あるいはリガンド-アミノ酸残基間の相互作用の状態を理解するのに好適なためです[1]。しかし、FMO計算は生体系に限られるだけでなく、水和凝集系や一般の高分子、あるいは固体なども扱える潜在力を持っています。実際、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発活動の中では、有効相互作用パラメータをFMOで求めて高分子の粗視化シミュレーションを行うマルチスケール計算手法と応用が進められています[6,7]。ABINIT-MPの応用は、今後はこうした一般の化学工学や材料科学、あるいは応用物理関係の分野へも広がっていくことを期待していますし、そのための整備とエビデンスの集積を推進していきます。また、統計的な多構造サンプルの計算結果を機械学習によって自動的に解析する試みも始まっています。


[6] “Dissipative particle dynamics (DPD) simulations with fragment molecular orbital (FMO) based effective parameters for 1-Palmitoyl-2-oleoyl phosphatidyl choline (POPC) membrane”, H. Doi, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, T. Ozawa, K. Yasuoka, Chem. Phys. Lett. 684 (2017) 427-432.

[7] “Fragment Molecular Orbital-based Parameterization Procedure for Mesoscopic Structure Prediction of Polymeric Materials”, K. Okuwaki, Y. Mochizuki*, H. Doi, T. Ozawa, J. Phys. Chem. B 122 (2018) 338-347.

Openシリーズの今後のリリース

ABINIT-MPには、主に開発の経緯的な事由から「ローカル版」が存在しています[1]。これらでは、励起エネルギーや動的分極率の算定、さらに結合クラスター展開による高精度エネルギー計算などが利用出来ます。こうした機能に関心を持たれる方も居られますし、手持ちのマシン環境によっては再コンパイルやチューニングのためにソースを所望される場合もあります。こうした状況を改善すべく、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発の中で産官学を交えたコンソーシアム的な組織でABINIT-MPのソース共有を行い、継続的なコード開発・改良と保守を図っていく活動の中でリリースされていくのがOpenシリーズです。BioStation Viewerについても、随時Openシリーズへの対応を図っていきます。

現在、Ver. 1 Rev. 10を元にフラグメント分割箇所の自由度を向上させるなどの機能的改良を進めています。この版は、Rev. 15として2018年後半にリリースする予定です。

大きな改造を伴いつつ整備を進めているOpen Ver.2では、密度汎関数(DFT)のモジュールなどを分子科学研究所の石村和也研究員のSMASH[8]から、また2電子積分の恒等分解(RI)のモジュール(C言語で記述)を長崎大学の石川岳志准教授のPAICS[9]から移植しています。Ver. 2のリリースは2019年の上期を見込んでいます。

ソースの共有とは別にOpenシリーズでも従来のバイナリでの提供も続ける予定で、以下のようなプラットフォームを対象にしています(2018年2月時点)。

  • PC: Wndows 7 (64 bit)
  • 小規模サーバ: Intel Xeon (IA64) & Xeon Phi (Knights Corner & Landing)
  • スーパーコンピュータ: 富士通系{「京」, FX-10, FX-100, OakForest-PACS}

なお、ベクトル型スーパーコンピュータであるNECのSX-ACEにも対応作業を進めています(Ver. 1 Rev. 10系)。

「京」でのABINIT-MPの多数のジョブの自動実行に関しては、九州大学の小野謙二教授・理研AICSで開発しているWHEEL[10]を使ったインターフェースを整備中です


[8] http://smash-qc.sourceforge.net/

[9] http://www.paics.net/

[10] https://github.com/RIIT-KyushuUniv/WHEEL

FMO創薬コンソーシアム

2015年度から「FMO創薬コンソーシアム」(代表:星薬科大学 福澤薫 准教授)が産官学で組織され、「京」を計算資源としてABINIT-MPによるFMO計算基づくタンパク質・リガンドの相互作用解析が進められています[11]。重要な創薬ターゲットが設定されており、当該領域の共有基盤となる知見(特にIFIEのデータセット)の蓄積が期待されます。ABINIT-MPはOpenシリーズとして今後も改良が続けられていきますが、このコンソーシアムは実践的な利用者コミュニティとして重要な役割を果たしていくことになります。


[11] http://eniac.scitec.kobe-u.ac.jp/fmodd/

開発系コンソーシアム

ABINIR-MPのOpenシリーズの開発や保守にソースレベルでコミットしていただくための産官学の枠組みです(コンタクト先:立教大学 望月祐志)。バグ情報と対策、新規開発の機能のシェアなど意図していますが、参画される企業様が商用に独自の高速化や改良を図ることは基本的に可とする方針です。現初期段階では、個別にご参画をお願い・確認させていただいて立上げようとしているところです。今後、このコンソーシアムについても情報を更新していく予定です。

コンタクト

ABINIT-MPのOpenシリーズのご利用、あるいは開発系コンソーシアムにご関心のある方は、立教大学の望月祐志(fullmoon -at- rikkyo.ac.jp)にメールにてご連絡いただければと思います(-at-を@に変換してください)。ご所望の利用形態に応じて、個別に契約書面の取り交わしをさせていただき、ご提供したいと思います。よろしくお願いいたします。

フラグメント分子軌道計算に基づく粗視化シミュレーション用の有効相互作用(χ)パラメータのワークフローシステムFCEWS (FMO-based Chi parameter Evaluation Workflow System)

はじめに

近年、材料科学や創薬科学の分野においてナノ~メゾ(数~数百nm )の領域をつなぐマルチスケールシミュレーションの重要性が増しています。通常、メゾ構造の予測には散逸粒子動力学(DPD)等の粗視化シミュレーションが用いられます。これまで、粗視化された粒子間の有効相互作用を表現するχパラメータの設定は、実験データを元にフィットするか、古典的な分子力学(MM)に基づいて算定[1]されることがほとんどでした。しかし、実験値やMMパラメータが存在しない系を扱うことは難しく、また古典的な記述では信頼性が十分でないケースもありました。

上記の問題に対する一つの解決策として開発されたのが、FCEWS (FMO-based Chi parameter Evaluation Workflow System)[2]です。FCEWSプログラムでは、χパラメータを、フラグメント分子軌道(FMO)計算の結果を元に半自動的に算定することが出来ます。FMO計算は、通常のMO計算と同じく、非経験的な量子化学的フレームワークを用いていますので、MMを使用した場合と比べて計算対象の制限を受けにくく、幅広い計算対象に対してχパラメータを統一的に算定することが可能です[3]。なお、FCEWSでのFMO計算にはABINIT-MP[4]を使用します。

 


[1] “Application of Molecular Simulation To Derive Phase Diagrams of Binary Mixtures”, C. F. Fan, B. D. Olafson, M. Blanco, S.L. Hsu, Macromolecules 25 (1992) 3667-3676.

[2] “FMO計算に基づくχパラメータ算定システム FCEWS”, 土居英男, 奥脇弘次, 望月祐志, J. Comp. Chem. Jpn., in press.

[3] “Fragment Molecular Orbital-based Parameterization Procedure for Mesoscopic Structure Prediction of Polymeric Materials”, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, H. Doi, T. Ozawa, J. Phys. Chem. B, 122 (2018) 338-347.

[4] “Electron-correlated fragment-molecular-orbital calculations for biomolecular and nano systems”, S. Tanaka, Y. Mochizuki, Y. Komeiji, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10310-10344.

特徴

FCEWSは、ユーザーの負担を極力少なくするように設計されています。計算対象分子の構造を用意すれば、ABINIT-MPの入力ファイルの自動生成、計算結果の回収、χパラメータの算定を1コマンドで実行可能です。ABINIT-MPの方でポアソン・ボルツマン(PB)型の連続誘電体モデルのオプション[5]を設定すれば溶媒効果を考慮することも可能で、脂質膜のシミュレーション[6,7]などに好適です。

 


[5] “Incorporation of solvation effects into the fragment molecular orbital calculations with the Poisson–Boltzmann equation”, H. Watanabe, Y. Okiyama, T. Nakano, S. Tanaka, Chem. Phys. Lett. 500 (2010) 116-119.

[6] “Dissipative particle dynamics (DPD) simulations with fragment molecular orbital (FMO) based effective parameters for 1-Palmitoyl-2-oleoyl phosphatidyl choline (POPC) membrane”, H. Doi, K. Okuwaki, Y. Mochizuki, T. Ozawa, and K. Yasuoka, Chem. Phys. Lett., 684 (2017) 427-432.

[7] “散逸粒子動力学における界面付近の水の取扱い”, 土居英男,奥脇弘次,望月祐志,小沢拓, J. Comp. Chem. Jpn., 16 (2017) 28-31.

開発の経緯

FCEWSの方法論的な整備は、(株)JSOL(担当:小沢拓氏)と望月研究室とのコラボレーションとして2014年春に始まりました。2015年度からは、文部科学省「フラッグシップ2020 重点課題6」(代表:東京大学 吉村忍教授)プロジェクト[8]の中で研究開発が進められてきており、実応用として燃料電池の電解質膜のFMO-DPD連携シミュレーションなどで活用されています。また、前出の脂質膜関係[6,7]の他に、省燃費タイヤのゴム/シリカ複合素材[9]にも適用されています。

FCEWSの中でも用いられるABINIT-MPプログラムは、東京大学生産技術研究所を拠点とする「戦略的基盤ソフトウェアの開発」、「革新的シミュレーションソフトウェアの開発」、「HPCI戦略分野4 次世代ものづくり」の一連のプロジェクト(代表:東京大学 加藤千幸教授)、さらにJST-CREST「シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築」(代表:神戸大学 田中成典教授)と立教大学SFR(担当:望月祐志)などの支援を得て、10年以上に渡って開発が進められてきました。現在は、FCEWSと同じく「フラッグシップ2020 重点課題6」の下で開発整備が続けられています。なお、ABINIT-MPの入手・利用については[10]をご参照下さい。

 


[8] http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/

[9] “タイヤゴム素材に関する計算化学的研究”, 石川雄太郎, 奥脇弘次, 土居英男, 望月祐志, 佐藤弘一, 日本ゴム協会2017年年次大会, B-3発表, 名古屋, 2017/5/18.

[10] http://www.cenav.org/abinitmpopen1/

FCEWS Ver. 1 Rev. 2 (2018年2月版)の主な機能

基本的な機能は文献[2]に記してあるものになります。

  • ABINIT-MPを用いたFMO計算のための入力ファイル自動生成機能
  • 計算結果の自動回収機能
  • χパラメータの算定機能

2018年2月現在もFCEWSの手法の改良・拡張は続いており、今後はより汎用性を高め、タンパク質などへも利用を広げていく予定です。

FCEWS Ver. 1 Rev. 2の開発者

奥脇弘次(立教大学 理学部)、土居英男(立教大学 理学部 → 産業技術総合研究所)、望月祐志*(立教大学 理学部) (*取り纏め責任者)

コンタクト

FCEWSのご利用にご関心のある方は、立教大学の望月祐志(fullmoon -at- rikkyo.ac.jp)にメールにてご連絡いただければと思います(-at-を@に変換してください)。個別に契約書面の取り交わしをさせていただき、ご提供したいと思います。よろしくお願いいたします。

SC17報告 ースパコン業界におけるVR/MR最前線ー

2017年11月12日〜17日、スーパーコンピューター関連のトップカンファレンス、SC17が米国デンバー市で開催されました。ここでは、そのエキシビション会場で展示されていたVR/MR系の展示物についていくつか紹介したいと思います。

スーパーコンピューターという言葉は日常生活から縁遠い響きに感じますが、エキシビジョン会場で見かけるメーカー名などは皆さんご存知のものも多いはずです。特にVR/MR系のソフトウェア・ハードウェアはゲーム業界での活用事例が先行していることもあり、お馴染みのメーカー揃いとなっています。

ゲームの世界では高精細なグラフィック表示のために、高性能なCPUとGPU、周辺機器を必要とします。そのためハイエンドなPCは「ゲーミングPC」と銘打って売られることも多いようです。つまり、もともとゲーム業界と、HPC(High Performance Computing)業界はとても近い関係にあるわけですが、そこに昨今のVR/MRブームが組み合わされた結果、HPC業界側で何が起きているのか、をご覧いただければと思います。

ベンダー系出展

DELL

DELLのブースでは、BE A SUPEHERO(スーパーヒーローになろう)と銘打ったVR展示が行われていました。内容はスパイダーマンになって敵と戦うゲームのようです。ヘッドセットはOculusを使っていました。
ノートPCからスパコン用途のラックマウントサーバまで、全方位で製品を揃えるDELLですが、ゲーミングPCについては AlienWareというメーカーを2006年に買収し、そのブランド名を残して販売しています。DELLのブースで見つけたこのVR展示も、壁にそのブランド名が見えます。このデモでも使われているのかもしれません(未確認です)
なお、DELLは今年になってWindows対応のMRヘッドセットを発表していますが、ここでの展示はありませんでした。

Redhat

Linuxディストリビューションとして有名なredhatは、自社製品が複数のアーキテクチャで動作することを説明するコンテンツをVRで体験する展示を行っていました。コンテンツのベースはいわゆるライフゲーム(Wikipediaによる説明)で、そこに自社製品の説明を組み合わせているようです。
使っているVRデバイスはHTC Viveでした。

youtubeでも同じコンテンツの冒頭部分を見ることができます。

 

SUSE

redhat同様にLinuxディストリビューションを提供するSUSEのブースでは、ライトセーバーを振り回すスターウォーズのVRゲームが体験できました。参加者の得点ランキングボードまであって盛り上がっており、自然と人だかりが出来ます。
自社製品との関係は今ひとつ分かりませんでしたが、VRに限らず所謂客寄せイベントはメーカー系ブースでは頻繁に行われており、参加するとお土産がもらえたりします。ここではライトセーバーのオモチャがもらえたようです。

NVIDIA

NVIDIAのGPUはグラフィックス用途のみならず数値計算用途のプロセッサとして、HPCの世界ではメジャーな計算資源として認知されています。ご存知の通りゲームやVRの世界でもNVIDIAのGPU製品は欠かせないものであり、どんな展示があるのか、と期待していましたが、VRの展示は見当たりませんでした。(NVIDIAは巨大なブースで出展しており、見逃した可能性はあります)
写真は構造・流体ソルバのANSYS Discovery Liveによる車両の空力シミュレーション結果を、同社の最新のGPUを用いてリアルタイムかつインタラクティブに視点変更可能に動画として見せるデモです。NVIDIAはVRなどよりもこうした実用的なCAEツールのデモ展示がSCではふさわしいと判断したと思われます。

海外研究機関の出展

 米国エネルギー省(DOE)

米国エネルギー省のブースには、米国内の複数の研究機関が共同で出展しているようでした。駆け足で見て回った途中のこの展示の詳細は分からないのですが、大規模データ可視化を液晶シャッター方式のメガネをかけて立体視するデモのようです。

日本からの出展

産業技術総合研究所(AIST)

産総研では3枚の縦置き液晶ディスプレイで構成されたタイルドディスプレイが目を引きますが、表示しているのは写真中ほどに写る人物がVRヘッドセット(HTC Viveを使用)で見ているものです。表示データは日本全国の降雨量、河川水量など、17000以上のセンサーからの情報を立体棒グラフとして見せています。

海洋研究開発機構(JAMSTEC)

JAMSTECのVR展示は、VFIVEというアプリケーションの体験ができたようです。もともとCAVE(Wikipediaによる説明)向けのデータ可視化ソフトウェアだったものをHMD向けに移植したとこのこと。ヘッドセットをかぶると操作メニューが実際の視界の中に浮かんで見えるようですので、MR的な使い方になるでしょうか。
VFIVEの説明ページ: https://www.jamstec.go.jp/esc/research/Perception/vfive.ja.html

東京大学生産技術研究所 革新的シミュレーション研究センター

計算工学ナビを運営している東大生研 革新的シミュレーション研究センターも、SC17に出展しました。当センターで開発する解析アプリケーションによる大規模計算結果の可視化を、DOEのような液晶シャッター方式のメガネを使って立体視するデモでしたが、ちょっと変わっているのは、データを表示しているディスプレイの周囲にセンサーが着いており、これが液晶シャッターメガネの位置を把握し、メガネ位置、つまり観察者の視点に応じて表示物の向きが変えることができる点です。通常の可視化ソフトでインタラクティブに視点変更するときは、マウスで表示対象物をドラッグするなどして物体側を動かしますが、この装置を使うと観察者自身が動くので、より没入感を感じることが出来ます。

まとめ

以上、SC17で展示されていたVR・MR関係のデモを駆け足で見て回りました。SCは大変大きなエキシビションなため、全ての展示物を見て回れたわけではありませんが、他の参加者の感想なども総合すると、VR・MR関係の展示は昨年より格段に増えているようです。一方、その使われ方については、HPCによる計算結果に対して有効な可視化手法としての提示はまだまだ少ないという印象でした。HMDの性能向上も日進月歩ですので、来年のSC18ではより高度な展開が期待されます。

おまけ

VR・MRとは関係ありませんが、計算工学ナビとしては見逃せない展示がありましたのでご紹介します。

当サイトの人気コンテンツ、「RaspberryPiクラスタ製作記」でも示した通り、シングルボードコンピュータRaspberryPiをクラスタ化して大きな計算能力を得ようという試みは世界中で行われていますが、ついにそれをパッケージ化した製品が登場しました。このRasPi3Bを750台詰め込んだ製品は、ロスアラモス国立研究所とニューメキシコ州の3大学の共同研究で利用されるそうです。
製品説明へのリンク: http://www.bitscope.com/blog/FM/?p=GF13L

ABINIT-MP Openシリーズ

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2018年2月版に関する新しいページがあります

はじめに

logoABINIT-MPは、フラグメント分子軌道(FMO)計算を高速に行えるソフトウェアです[1]。専用GUIのBioStation Viewerとの連携により、入力データの作成~計算結果の解析が容易に行えます。4体フラグメント展開(FMO4)による2次摂動計算も可能です。また、部分構造最適化や分子動力学の機能もあります。FMOエネルギー計算では、小規模のサーバから超並列機の「京」まで対応しています(Flat MPIとOpenMP/MPI混成)。

特徴

ABINIT-MPは使いやすいFMOプログラムで、4体フラグメント展開までが可能です。研究室単位のLinux/Intel系サーバに標準搭載されているMPI環境で動作しますし、特別な設定も必要ありません。また、煩雑で注意深さを要するフラグメント分割を伴う入力データの作成は、随伴GUIのBioStation Viewer(Windowsで動作)を使うなどすれば容易に作成できます。また、フラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)などの計算結果は膨大となりプリントからの理解はしばしば困難ですが、Viewerを使うと可視的・直観的に対象系の相互作用の様態を把握できます。

開発の経緯

ABINIT-MPプログラムは、東京大学生産技術研究所を拠点とする「戦略的基盤ソフトウェアの開発」、「革新的シミュレーションソフトウェアの開発」、「HPCI戦略分野4 次世代ものづくり」の一連のプロジェクト(代表:東京大学 加藤千幸教授)、さらにJST-CREST「シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築」(代表:神戸大学 田中成典教授)と立教大学SFR(担当:望月祐志)などの支援を得て、10年以上に渡って開発が進められてきました。Intel Xeon (IA64)系バイナリは、Ver.7が東京大学生産技術研究所の革新的シミュレーション研究センターで、また「京」向けのVer.6+が理化学研究所計算科学研究機構で利用可能となっています(2017年1月時点)。
現在は、東京大学工学研究科を代表拠点とする「フラッグシップ2020 重点課題6」(代表:東京大学 吉村忍教授)の中で、Openシリーズとして機能強化・高速化とリリースが行われています(取り纏め責任者:立教大学 望月祐志)。2016年12月の段階でまとまった第一版がVer. 1 Rev. 5になります。

Open Ver.1 Rev.5 (2016年12月版)の主な機能

Open Ver. 1 Rev. 5はこれまでバイナリで公開してきましたVer. 7に準拠していますが、モデル内殻ポテンシャル(MCP)が追加され、メモリ管理の改良によって動作の安定性が向上しています。

・エネルギー
→ FMO4: HF, MP2 (CD)
→ FMO2: HF, MP2, MP3
・エネルギー微分
→ FMO4: HF, MP2
→ FMO2: MP2構造最適化, MD
・その他機能
→ SCIFIE, CAFI, 重要データ書出し
→ MCP, PB水和, BSSE-CP
→ GUI(BioStation Viewer)
・並列化環境(PC~スパコン)
→ MPI, OpenMP/MPI混成
→ 最深部はBLAS処理

[図を表示]



Open Ver.1 Rev.5 (2016年12月版)の開発者(所属)

望月祐志*(立教大学 理学部), 中野達也(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 坂倉耕太(NEC),沖山佳生(国立医薬品食品衛生研究所 医薬安全科学部), 秋永宜伸(ヴァイナス), 渡邊啓正(HPCシステムズ), 加藤幸一郎(みずほ情報総研), 山本純一(NECソリューションイノベータ), 山下勝美(元 NECソフト), 村瀬匡(元 NECソフト), 石川岳志(長崎大学 医歯薬学総合研究科), 古明地勇人(産業技術総合研究所 バイオシステム部門), 加藤雄司(元 立教大学 理学部), 渡辺尚貴(みずほ情報総研), 塚本貴志(みずほ情報総研), 森寛敏(お茶の水女子大学大学院 人間文化創成科学研究科), 田中成典(神戸大学大学院 システム情報学研究科), 加藤昭史(みずほ情報総研), 福澤薫(星薬科大学 薬学部), 渡邉千鶴(理研 横浜)
(*取り纏め責任者)

応用分野

ABINIT-MPのFMO計算は、開発当初から生体分子関係、特にタンパク質とリガンド(薬品分子)の複合系に対して主に用いられてきました。これは、計算で得られるフラグメント間相互作用エネルギーがアミノ酸残基間、あるいはリガンド-アミノ酸残基間の相互作用の状態を理解するのに好適なためです[1]
しかし、FMO計算は生体系に限られるだけでなく、水和凝集系や一般の高分子、あるいは固体なども扱える潜在力を持っています。実際、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発活動の中では、有効相互作用パラメータをFMOで求めて高分子の粗視化シミュレーションを行うマルチスケール計算手法と応用が進められています。ABINIT-MPの応用は、今後はこうした一般の化学工学や材料科学、あるいは応用物理関係の分野へも広がっていくことを期待していますし、そのための整備とエビデンスの集積を推進していきます。また、統計的な多構造サンプルの計算結果を機械学習によって自動的に解析する試みも始まっています。

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Openシリーズの今後のリリース

ABINIT-MPには、主に開発の経緯的な事由から「ローカル版」が存在しています[1]。これらでは、励起エネルギーや動的分極率の算定、さらに結合クラスター展開による高精度エネルギー計算などが利用出来ます。こうした機能に関心を持たれる方も居られますし、手持ちのマシン環境によっては再コンパイルやチューニングのためにソースを所望される場合もあります。こうした状況を改善すべく、「フラッグシップ2020 重点課題6」の研究開発の中で産官学を交えたコンソーシアム的な組織でABINIT-MPのソース共有を行い、継続的なコード開発・改良と保守を図っていく活動の中でリリースされていくのがOpenシリーズです。
2016年度に整備しているOpen Ver.2では、密度汎関数(DFT)のモジュールなどを分子科学研究所の石村和也研究員のSMASHから、また2電子積分の恒等分解(RI)のモジュール(C言語で記述)を長崎大学の石川岳志准教授のPAICSから移植しています。Open Ver. 2のリリースは2017年度内を予定しています。また、Open Ver. 1 Rev. 5をベースにメニーコアのIntel Xeon Phi (Knights Landing)に対応する作業も開始しました。Open Ver. 3では、「ローカル版」の機能も統合して公開とする予定です。BioStation Viewerについても、随時Openシリーズへの対応を図っていきます。

ソースの共有とは別にOpenシリーズでも従来のバイナリでの提供も続ける予定で、以下のようなプラットフォームを対象にしています(2017年1月時点)。

・PC: Wndows 7 (64 bit)
・小規模サーバ: Intel Xeon (IA64) & Xeon Phi (Knights Corner & Landing)
・スーパーコンピュータ: 富士通系{「京」, FX-10, FX-100, OakForest-PACS}

今後、PCではMac、スーパーコンピュータではNEC系のSXも対応していきます。

HPCIセンターでは「京」、東京工業大学TSUBAME、東京大学・筑波大学OakForest-PACSにOpen Ver. 1 Rev. 5が導入される予定です(2016年度内)。

FMO創薬コンソーシアム

2015年度から「FMO創薬コンソーシアム」(代表:星薬科大学 福澤薫 准教授)が産官学で組織され、「京」を計算資源としてABINIT-MPによるFMO計算基づくタンパク質・リガンドの相互作用解析が進められています。重要な創薬ターゲットが設定されており、当該領域の共有基盤となる知見(特にIFIEのデータセット)の蓄積が期待されます。ABINIT-MPはOpenシリーズとして今後も改良が続けられていきますが、このコンソーシアムは実践的な利用者コミュニティとして重要な役割を果たしていくことになります。

開発系コンソーシアム

ABINIT-MPのOpenシリーズの開発や保守にソースレベルでコミットしていただくための産官学枠組みです(コンタクト先:立教大学 望月祐志)。バグ情報と対策、新規開発の機能のシェアなど意図していますが、参画される企業様が商用に独自の高速化や改良を図ることは基本的に可とする方針です。現初期段階では、個別にご参画をお願い・確認させていただいて立上げようとしているところです。今後、このコンソーシアムについても情報を更新していく予定です。

コンタクト

ABINIT-MPのOpenシリーズのご利用、あるいは開発系コンソーシアムにご関心のある方は、立教大学の望月祐志(fullmoon -at- rikkyo.ac.jp)にメールにてご連絡いただければと思います(-at-を@に変換してください)。ご所望の利用形態に応じて、個別に契約書面の取り交わしをさせていただき、ご提供したいと思います。

[1] “Electron-correlated fragment-molecular-orbital calculations for biomolecular and nano systems”, S. Tanaka, Y. Mochizuki, Y. Komeiji, Y. Okiyama, K. Fukuzawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10310-10344.

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