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第一原理計算アプリソフトの利用について

高度情報科学技術研究機構（RIST）吉澤香奈子

第５回材料系ワークショップ2018年2月13日(火)　秋葉原UDXNEXT-1

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Outline•  Introduc@on

本ワークショップのプログラムについて

•  材料系アプリケーションについて

•  第一原理計算アプリケーションQuantumESPRESSO(QE)の実行–  「京」での実行

•  高度情報科学技術研究機構（RIST）の利用支援•  Summary

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Introduc-on•  材料開発とシミュレーション

基礎と応用、理論と実験の連携 à 良い成果へ

•  材料系ワークショップ

–  シミレーション（計算科学）で何ができるか？

–  実際に使うには

–  期待する規模の計算を行うには（計算性能を出すには）

•  これまでの材料系ワークショップ

–  第１回（2016/2/19）、第２回（2016/10/4）、第４回（2017/10/10）：（LAMMPS）など古典MD中心

–  第３回（2017/2/23）：第一原理計算中心

–  今回（第５回）：第一原理計算中心

à  情報交換、コミュニティ形成のための、定期的なイベントへ

研究・開発でのシミュレーション（計算科学）の活用へ

年度スケジュール（予定）•  10月ごろ：MD計算中心•  ２月ごろ：第一原理計算中心

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本ワークショップのプログラムについて（１）

•  産業界における第一原理計算の事例紹介「第一原理計算を中心とするシミュレーション技術の活用」[相賀史彦（株式会社東芝）]

•  国プロによって開発された第一原理計算アプリソフトの紹介–  ABINIT-MP

「FMO計算に基づくマルチスケールシミュレーション手法の開発と先導的応用」[奥脇弘次（立教大学）]

–  SALMON「光科学汎用シミュレータSALMONを用いた光励起ダイナミクス」[飯田健二（分子科学研究所）]

–  GRRM「反応経路探索とインフォマティクスを援用した触媒の理論研究」[小林正人（北海道大学）]

–  NTChem「京を利用した第一原理シミュレーションによる材料設計」[中嶋隆人（理化学研究所 計算科学研究機構）] 4

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本ワークショップのプログラムについて（２）

•  第一原理計算とインフォマティクス–  人工知能

「人工知能技術による機能分子・物質設計」[津田宏治（東京大学）]

–  第一原理計算[小林正人（北海道大学）]、[中嶋隆人（理化学研究所 計算科学研究機構）]

•  材料系アプリソフトの利用促進の情報交換、意見交換

–  パネルディスカッション「HPCIへのアプリソフト支援の取組みの課題と展望〜シミュレーションとインフォマティクスの融合を見据えて〜」モデレータ：古宇田 光（東京大学物性研究所） パネリスト：中嶋 隆人（理化学研究所 計算科学研究機構） 　　　　　　　/茂本勇（東レ株式会社） 　　　　　　　/津田宏治（東京大学） 　　　　　　　/奥田基（高度情報科学技術研究機構）

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材料系アプリケーションについて（参照）今後のHPCI第二階層計算資源の整備とその活用に関する報告書

国のプロジェクトで開発されたソフトウェア（抜粋） 海外のソフトウェア（抜粋）

プロジェクト ソフトウェア名 手法（特徴）

重点課題５　　

　　

　

NTChem 量子化学計算

GELLAN 量子化学計算

MODYLAS 古典MD

stat-CPMD 第一原理計算（CPMD）

STATE 第一原理計算（平面波基底）

SMASH 量子化学計算

重点課題６　

ABINIT-MP 量子化学計算

PHASE/0 第一原理計算（平面波基底）

重点課題７　　

　　

　　　

　

RSDFT 第一原理計算（実空間DFT）

OpenMX 第一原理計算（局在基底）

xTAPP 第一原理計算（平面波基底）

QMAS 第一原理計算（平面波基底）

AkaiKKR 第一原理計算（グリーン関数法）

TOMBO 第一原理計算（全電子混合基底）

RSPACE 第一原理計算（実空間DFT）

CONQUEST 第一原理計算（オーダーN法）

ARTED 第一原理計算（実時間DFT）

ソフトウェア名 手法（特徴） 開発種別

CP2K 第一原理計算（混合基底） OSS

GAMESS 量子化学計算 OSS

GROMACS 古典MD OSS

LAMMPS 古典MD OSS

NAMD 古典MD OSS

QuantumESPRESSO 第一原理計算（平面波基底） OSS

TINKER 古典MD OSS

ADF 量子化学計算 商用

AMBER 古典MD 商用

CHARMM 古典MD 商用

Gaussian 量子化学計算 商用

Molpro 量子化学計算 商用

VASP 第一原理計算（平面波基底） 商用

WIEN2k 第一原理計算（全電子計算） 商用

※古典MD、第一原理電子状態計算ソフトウェア中心に抜粋

たくさんある àどれを使って良いのかわからない？6

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第一原理シミュレーションを始めるのは：どのアプリを使えば良いのか？

MateriApps（h5p://ma.cms-ini-a-ve.jp/ja）で検索

•  185の物質科学アプリケーションやツールを紹介(2016年8月現在)

•  「やりたいこと」からアプリケーションを検索ü  検索タグ：「特徴」「対象」「手法・

アルゴリズム」•  開発者の声を利用者に届ける

ü  アプリ紹介、開発者ページ、アプリの魅力・将来性・応用性

•  フォーラム(掲示板)を利用した意見交換

•  講習会情報・web講習会・更新情報

•  月間 10000+ページビュー、1900+ユニークユーザ

2013年5月公開

物質科学シミュレーションのポータルサイト

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第一原理計算のGUIアプリ（１）•  C-Tools（フリー）　hYp://ma.cms-ini@a@ve.jp/ja/listapps/C-Tools

DFTコードに対するGUI支援ツール：基本的な計算パラメータをGUI で調整し、多種

のDFTコードの入力ファイルを作成できる。DFTコード間の入力ファイルの変換も可能。

構造ファイル CIF (Crystallographic Information File) XYZ (Chemical file format)

入力ファイル xTAPP OpenMX RSDFT VASP PWscf

入力ファイルを自動生成

出力[load] [save]

SupportedDFTcodes（５ codes）xTAPP（平面波基底）、 OpenMX（局在基底）、RSDFT（実空間）、VASP（平面波基底）、PWscf（QuantumESPRESSO） （平面波基底）

構造を開いて、保存するだけで、簡単にDFTコードの入力ファイルが出来る

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第一原理計算のGUIアプリ（２）

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•  Winmostar　hYps://winmostar.com/–  株式会社クロスアビリティが開発・販売–  企業ユースで15万円より（トライアル版あり）

–  サポート、講習会（関東・関西）、個別カスタマイズあり–  平均20ダウンロード/日–  QuantumESPRESSO,Gaussian,GAMESS,NWChem,MOPACに対応–  材料系国プロアプリ（OpenMX,SMASH,DC-DFTB,MODYLAS,FragmentER）にも対応

–  古典MD：LAMMPS, Gromacs,Amberにも対応

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第一原理計算の可視化ツール•  可視化ツール（フリー）

–  VESTA　　hYp://jp-minerals.org/vesta/jp/ü CIFファイルを読める（空間群の判別）ü 密度、波動関数ü 結晶の原子間距離や角度が測れる

など–  XCrysDen　　hYp://www.xcrysden.org/

ü 密度、波動関数、フェルミ面ü 結晶の原子間距離や角度が測れるü バンド図K点経路の作成ü アニメーションの作成（MD,構造最適化）　

など

OVITO

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データベース：MatNaviの活用•  NIMS物質・材料データベース (MatNavi)

hYp://mits.nims.go.jp/高分子や無機材料などの構造・物性に関する材料データベース。物質・材料研究機構が運営を行っており、材料の結晶構造、種々の物性値、相図などのデータをウェブベースのユーザーインタフェースにより提供している。無料であるが、要登録。

計算したい物質の構造ファイル（CIF）が手に入る。（自分で対称性、セル、原子座標などを指定して作る手間が省ける。）

チタン酸鉛（PbTiO3）

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MateriApps LIVE! （フリー）の利用l  USBメモリから直接ブートできる Linux システム (Debian Live Linux)

•  Windows、Mac などで利用可

•  インストール作業なしで物質科学アプリを実行できる

l  バージョン1.11公開 (2016年9月5日)

l  MateriAppsで紹介している公開アプリ・ツールを収録

•  2016年9月現在：ABINIT, AkaiKKR, ALPS, CP2K, DSQSS, ERmod,

feram, Gromacs, HPhi, LAMMPS, OpenMX, Quantum ESPRESSO,

SMASH, xTAPP

MateriApps LIVE! サイト (http://cmsi.github.io/MateriAppsLive/)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　からダウンロード可能

USBでrebootしなくてもVirtualBox+ovaファイルで使用可能hYps://github.com/cmsi/MateriAppsLive/wiki/MateriAppsLive-ova

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環境の構築・キーボード設定

データベースMatNavi

補助ツールC-tools

構造ファイル***.cif取得

入力ファイル***.dat生成

ターミナル（OpenMXを実行）

$openmx***.dat

可視化ツールVESTA

可視化ツールXCrysDen

電子密度の可視化

フェルミ面の可視化

MatNavi

VESTA XCrysDen

コマンドはここだけ

MateriApps LIVE! を用いた第一原理計算実行例

MateriApps LIVE! を起動

ダイアモンドの電子状態計算 銅のフェルミ面の計算13

「京」を中核とするHPCIシステム：利用実績のあるアプリケーション

※ H.27年度利用報告書及びH28年度の不採択課題を 含む課題申請書(合計384課題）より集計

•  利用実績がある à利用可能な環境にある•  実際にどのマシンで使われているか確認の必要

順位 アプリ名　（利用・申請）課題数

分野（手法） 開発種別合計 学術 産業

1 GROMACS 27 24 3 古典ＭＤ 海外OSS 2 OpenFOAM 18 5 13 CAE／気象・防災 海外OSS 3 MODYLAS 16 14 2 古典ＭD 国プロ

4 FrontFlow/blue (FFB) 14 5 9 CAE／気象・防災 国プロ

5 FrontFlow/red (FFR) 12 5 7 CAE／気象・防災 国プロ

6 GENESIS 11 11 0 古典ＭＤ 国プロ

7 LAMMPS 10 4 6 古典ＭＤ 海外OSS 7 Quantum ESPRESSO 10 7 3 第一原理計算(平面波基底) 海外OSS 7 VASP 10 9 1 第一原理計算(平面波基底) 商用

10 NTChem 9 9 0 量子化学計算 国プロ

10 SCALE 9 9 0 気象・防災 国プロ

10 LANS3D 9 8 1 CAE 独自開発

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•  第一原理計算、古典MDなど材料系アプリが、上位にある。•  OSSなど非商用アプリが、よく使われている。

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利用環境に関する情報：（例）HPCIポータルサイト

≈

平成30年度課題募集におけるハードウェア・ソフトウェア資源一覧

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第一原理計算アプリ利用支援

•  開発グループ– VASP,QuantumESPRESSOなど（英語）– 国プロアプリ（日本の開発者）ABINIT-MP,SALMON,GRRM,NTChem ：（本WS）

•  GUI支援ツールによる利用–  各支援ツールの開発元（クロスアビリティなど）がサポート– MateriAppsLive!による利用 àMateriApps開発

•  「京」およびHPCIでの利用 àRIST

ヘルプデスク hYp://www.hpci-office.jp/pages/supportへ

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第一原理計算アプリケーションQUANTUMESPRESSO(QE)の実行

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PWscf（v6.2）の実行テスト•  QuantumESPRESSO(QE)の開発グループが公開している

ベンチマーク用入力データhYp://www.quantum-espresso.org/benchmarks/ホームページで、公開されている同じ入力ファイルで実行時間を測定する–  例） Small-size（pwscf-small-benchmark.tar.gz）の中のtest_1.in

原子種：C,O,N,H28atoms、1step、14scf

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公開されているデータと比較することにより、自分の実行環境での QEの性能評価の目安になる。àすごく遅いようであれば、 QEの構築（ビルド）方法を再検討する

40.93

21.3212.09 8.03 7.55 6.81

0

10

20

30

40

1(8) 2(16) 4(32) 8(64) 12(96) 24(192)

Wall-

me[sec]

ノード数（MPIプロセス数）

「京」 フラットMPIOMP_NUM_THREADS=1

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6,679

3,658

2,1881,362

1,017 988 794 787

12 24 48 96 144 192 288 384ノード数（＝MPIプロセス数）

4,005

2,1671,385 1,236 1,206

0

1000

2000

3000

4000

12(96) 24(192) 48(384) 96(768) 144(1152)

Wall-

me[sec]

ノード数（MPIプロセス数）

PWscf（v6.2）の「京」での実行時間

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最適な（に近い）実行à どれくらいのMPIプロセス数や、スレッド数で実行すれば良いのか？

フラットMPIとハイブリッド並列の比較MPIプロセス数を変えて実行時間を測定　à　実行時に指定するプロセス数を検討　

Large-sizeDEISAbenchmark（PSIWAT.tgz）原子種：Au,O,C,N,H586atoms、1step、5scf

フラットMPIOMP_NUM_THREADS=1

ハイブリッド並列OMP_NUM_THREADS=8

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PWscf の「京」での実行（１）

4740

2899

18711336 1286 1256

0

1000

2000

3000

4000

24 48 96 192 288 384

Elap

sed-m

e[sec]

Numberofnodes（＝MPIprocesses）

•  MPI processes = 192 à saturation

ハイブリッド並列OMP_NUM_THREADS=8

Target rutile TiO2 + impurity hydrogen

Size 217 atoms per unit cell

exchange correlation functional GGA（PBE）

k point 3 x 3 x 3　（irreducible：14 points）

step 1

scf 3

20

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1336845

1286 1256

2863

4820

1000

2000

3000

192 192(-nk8-nt8-nd16)

288 384 2304 2304(-nk8-nt8-nd16)

Elap

sed-m

e[sec]

Numberofnodes（＝MPIprocesses）op-on（−nk,−nt,−nd）

ハイブリッド並列OMP_NUM_THREADS=8

Target rutile TiO2 + impurity hydrogen

Size 217 atoms per unit cell

exchange correlation functional GGA（PBE）

k point 3 x 3 x 3　（irreducible：14 points）

step 1

scf 3

実行オプション−nk:k-pointparallel−nt:FFTparallel−nd:subspaceHamiltonian

21

実行オプション指定

実行オプション指定

PWscf の「京」での実行（２）

Copyright2018RIST22

Target rutile TiO2 + impurity hydrogen

Size 217 atoms per unit cell

exchange correlation functional GGA（PBE）

k point 3 x 3 x 3　（irreducible：14 points）

step 1

scf 3

àより良い実行　　ノード数 (=MPIプロセス数):192　　スレッド数 :8　　実行時オプション :(−nk8−nt8−nd16)à計算規模（セルサイズ、原子数など）によって、適した実行方法は変わる。

PWscf の「京」での実行（３）

22このような調査は、RISTの高度化支援へ

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RISTのアプリソフト利用環境整備

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•  パネルディスカッション　[奥田 基（高度情報科学技術研究機構）]において説明今年度の整備予定Ø  QuantumESPRESSO(QE)

ü  「京」への整備（プリインストールなど）ü  利用者へ有益となる情報の公開

Ø  材料系国プロアプリ（NTChem,SMASH,MODYLAS,OpenMX,SALMON,HΦ）ü  「京」以外のHPCIへの整備

次回（来年）以降の本ワークショップにおいても性能情報を報告していく。•  計算ターゲット（原子数など）による実行時間

（どれくらいのサイズの入力ファイルが、「京」で計算するには良いか？）•  フラットMPIが良いのか、ハイブリッド並列が良いのかなど

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告知：QE初心者のための講習会

QE+MateriAppsLIVE!

日時：2018年3月20日（火）　（予定）場所：RIST東京事務所（浜松町）定員：８名（先着順）参加費：無料

詳細は、後日公開

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対象：•  実験中心で研究・開発されてた方

が、シミュレーションを始めたい。•  今まで、他の第一原理計算アプリ

を使っていたけど、QE も試してみたい。

•  MateriAppsLIVE!を試してみたい。

初めて QuantumESPRESSO(QE)を実行してみたい方向け

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高度情報科学技術研究機構（RIST）の利用支援

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（１）申請前の事前相談及び利用相談l  応募に関する質問（申請書の書き方、応募の手順 ）l  利用可能なアプリケーション、ライブラリ、ツール等

l  シングルサインオン、データ転送の手順

l  コンパイル・実行に関する相談l  性能情報の採取方法

（２）プログラム高度化の支援l  実行性能分析の実施l  並列化・高速化へのアドバイス

（３）利用に関する各種情報の提供

（４）講習会・セミナー・ワークショップの実施

「京」利用者への支援

各種相談・高度化支援は、ヘルプデスクで受付けます。また、「京」以外のＨＰＣＩシステムに関する質問等は、当該資源を保有する構成機関の協力を得て対応します。 26

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プログラム高度化の支援

これまでの高度化支援の実績（一部）

一般・若手34件 22％

戦略38件 25％

産業62件 41％

HPCI19件 12％

高度化支援総数内訳

(件)　　　　　　　　支援件数累積

1249

77102

124 134

0

0

1

7

1419

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

H24 H25 H26 H27 H28 H29

「京」以外

「京」

満足64%

ほぼ満足29%

普通7%

支援終了時アンケート

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RISTの利用支援の実績

•  アプリソフトに対する支援実績–  年間30件程度の支援–  近年、OSSの支援が増加

支援したアプリソフトの種別

新しいアプリを「京」で使いたい

など、「京」およびHPCIでのアプリ利用

RISTに相談

28

37

2931

27

0

5

10

15

20

25

30

35

40

H25 H26 H27 H28

独自開発

商用

国プロ

OSS

合計

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提供する主な内容　

Ø  HPCIについて

Ø  利用案内・申請Ø  課題の申請Ø  課題選定の結果

Ø  利用支援Ø  HPCI研究成果

Ø  イベント・講習会

Ø  広報Ø  利用者向け情報

Ø  各種手続きについて

利用に関する各種情報の提供

★ HPCIポータルサイト　（2018年1月9日リニューアル！）　　hYp://www.hpci-office.jp

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HPCIの情報公開

l  利用報告書DBhYp://www.hpci-office.jp/annex/usrrep/

l  主要統計情報　　hYp://www.hpci-office.jp/pages/sta@s@cs　　これまでのHPCI利用研究課題の選定結果や利用支援、成果　　公開等の統計情報を公開

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HPCI　利用報告書DB検索 検索

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講習会・セミナー・ワークショップの開催

③OpenMP入門②MPI並列化技法入門①チューニング技法入門

初級　　④「京」入門コース

⑧高速化ワークショップ

⑦CAEワークショップ

⑥材料系ワークショップ

中級　　⑤「京」チューニング技法

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問い合わせ先（ヘルプデスク）

■ HPCI利用者の一元的相談窓口（ヘルプデスク）　〒650-0047　兵庫県神戸市中央区港島南町７丁目１番２６　一般財団法人　高度情報科学技術研究機構　神戸センター　TEL:078-940-5795FAX:078-304-4959　E-mail:helpdesk@hpci-office.jp　URL:hYp://www.hpci-office.jp/pages/helpdesk

本日もワークショップ開催中に随時利用相談やっています

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•  支援の申し込みHPCIポータル「京」高度化支援について

hYp://www.hpci-office.jp/pages/k_koudoka

•  RISTでは、プログラムの最適化に関する様々な依頼に応えます– ご相談はヘルプデスクまで

helpdesk@hpci-office.jp

•  多数の支援実績があります– ノウハウ集も公開しています、是非参考にして下さい

hYp://www.hpci-office.jp/pages/k_koudoka_knowhow

利用支援のまとめ

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より良い成果へ

アプリの開発者、専門家（アカデミア）

RISTHPCI（アプリ）利用支援

アプリの利用者（産業界）

連携

•  利用者：（てっとり早く）使い方を開発者や専門家に教えてもらいたい•  開発者、専門家：もっと使ってもらいたい、知見を広めたい

à連携推進

•  どのアプリを使えば良いか？•  使いたいアプリが動くのか？

など

•  手法開発•  最先端の研究

など

•  製品開発•  社会に役立つサービス

など

Ø  連携して講習会などの開催 à「TIA連携講座」などØ  本ワークショップの継続した開催

各機関の連携

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連携に向けて例） 講習会の開催•  TIA“かけはし”連携講座

–  OpenMX講習会2017年10月13日、2018年1月26日

–  xTAPP講習会（2017） 共催：RIST2017年10月26日

•  RIST主催の材料系アプリ講習会

＠RIST東京事務所（浜松町）（共催:CCMSなど予定）–  LAMMPS（2017年11月21日）

–  QuantumEspresso(2018年3月20日の予定)

•  重点課題主催の講習会 共催：RIST–  ABINIT-MP講習会（重点課題６）

2018年2月23日＠RIST東京事務所（浜松町）hYp://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/event/20180223.html 35

TIA“かけはし”連携講座柏の葉キャンパス駅前東大FCで実施企業の方の参加歓迎【平成29年度10月までの実績】•  6/29：Hφ講習会（量子多体系計算）•  7/20：ALPS講習会（量子スピン模型）•  8/30：mVMC講習会（変分モンテカル

ロ）•  10/3：MateriAppsLIVE!講習会(物質科

学計算パッケージ）•  10/13：OpenMX講習会（汎用DFT計

算）•  10/26：ｘTAPP講習会（平面波基底DFT

計算）

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Summary•  材料系の研究・開発でのシミュレーション（計算科学）の

活用へ（具体的な実施へ）・ 各機関の連携 ・ 本WSを定期的なイベントへ

•  第一原理アプリケーションの紹介•  QuantumESPRESSO(QE) の実行について

•  RISTの利用支援の紹介「京」およびHPCIの利用àまず、 申請前の事前相談àトライアル・ユースなどへご応募à利用相談・高度化支援à利用報告書のご提出àHPCIポータルで公開

本日、RISTによる利用相談へ 36