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/
[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。