Summit、シミュレーションでデトネーションエンジンの開発を支援

Oliver Peckham

1950年代、James Arthur Nichollsはロケット用の新しいエンジン設計を提案した。爆発（燃料の燃焼）によってロケットを推進するのではなく、衝撃波を発生させて燃焼させて圧力を発生させ、従来の内燃機関で使用されていたコンプレッサーを必要とせず、効率を大幅に向上させるデトネーション（爆発）させて推進することができると主張した。ニコルズ氏は、この設計を回転起爆エンジン(Rating Detonation Engine: RDE)と呼び、プロトタイプを試作したが、揮発性エンジンのコンセプトを研究するのが困難だったために失速してしまった。現在、ミシガン大学の研究者たちは、国内で最も強力なスーパーコンピュータであるSummitで実行される強力なシミュレーションを使用して、このコンセプトの復活に貢献している。

「私たちが従来のジェットエンジンやガスタービンに使用している技術の多くは、このような過酷な環境では機能しません。したがって、シミュレーションが唯一の方法です。それを回避する方法はありません」と、プロジェクトを主導しているミシガン大学航空宇宙工学教授のVenkat Ramanは、オークリッジ国立研究所(ORNL)のCoury Turczynとのインタビューで語った。「しかし、RDEの複雑な物理のシミュレーションは非常に困難です。これらのシミュレーションは、流体力学、衝撃波、化学反応、壁への熱伝達など、考えられる最も複雑な問題と同じくらいの物理量があります。」

Raman と彼のチームは、他のいくつかの組織と協力し、これらの複雑なシミュレーションの実行を開始した。当初、Summit 上でシミュレーションの約 30% を使用していたが、148.6 ペタフロップスであるにもかかわらず、大幅なスピードアップには至らなかった。その後、Summitを有するオークリッジ国立研究所の研究者は、Summitの最適化に使用していたシミュレーションコードを完全に書き換える手助けを行った。現在ではコードの95%が大規模なスーパーコンピュータ上で実行されており、チームはSummitのGPUで学習されたニューラルネットワークを使用してシミュレーションをさらに強化している。

「私にとって、Summit は一歩進んだ変化です。その計算能力は私が予想していなかったものでした。私たちが実行しようと思っていた最大の計算でさえ、Summit の 20ノードに収まると思っていました。Summit は 4,000ノードを超えていますから、このマシンにアクセスできるようになってからは、私たちの野心を高めなければなりませんでした」とRamanは語った。「このような段階的な変化において、シミュレーションをどのように行うか、どのようなシミュレーションが実際にできるかを再考する必要があると思っています。私たちはアルゴリズムのフレームワークを変更し、コードを変更し、質問への回答方法までも変更しました。」

この新しい取り組みにより、Raman と彼のチームは、RDE の機能を表現するために必要と考えられるシミュレート時間の 1 秒間に近づくことができるようになった。「このような計算はCPUのみのマシンでは何ヶ月もかかってしまいますが、Summitを使えば約1日でシミュレーションを終えることができます」とRamanは述べた。

RDE はまだ実用化への道のりは険しく、現場で実用化されるまでには、さらに多くのシミュレーションと実験が必要である。それでも、GE ResearchのRDEプログラムマネージャーであるVenkat Tangiralaは、Ramanのシミュレーションは実験計画のための重要な一歩であると述べている。

「Venkat RamanのSummit用の高度なコードは、他の誰のものよりも優れています。彼は驚くべき結果を出しています」とTangiralaは述べた。「ここには回転起爆技術と 実験用の試験装置があります。今では、彼の計算機も連動し、実験の結果を理解するのに役立っています。このようなことができる研究機関がどれだけあるのか、私にはわかりませんが、このようにして私たちはとてつもない進歩を遂げているのです。」

この研究についてのCoury Turczynの記事を読むには、こちらをクリックしてください。