太陽光発電の研究に欧米の最強スパコンを投入

Oliver Peckham

多くがソーラーパネルとして知っている太陽光発電は、2020年に821テラワット時という記録的な発電量を達成した。これは2019年に比べて23％の増加で、世界の発電量の3.1％という驚異的な数字だ。しかし、気候変動が急速に加速している現在、エネルギー転換をより迅速に行う必要があり、それはより多く、より安く、より効率的な再生可能エネルギーを生産することが、ほとんどの科学者の意見だ。現在、スペインのロビラ・イ・ビルジル大学（URV）のCoen de Graafを中心とする研究チームは、コスト削減や軽量化などの効果が期待できる、太陽光発電パネル用の新しい有機材料を研究している。この材料研究を支援するために、彼らは世界で最も強力な2つのスーパーコンピュータを使用している。オークリッジ国立研究所のIBM製「Summit」（米国最高位のスーパーコンピュータ）と、ユーリッヒ・スーパーコンピューター・センターのAtos製「Juwels」（欧州最高位のスーパーコンピュータ）である。

一段の効率化を目指して

De Graafのチームは、ある材料が太陽光発電の中核となるプロセスにどのように関わっているかを、より深く理解することを目指している。「私たちのプロジェクトは基礎研究に基づいています。すぐに使える材料を設計することが目的ではなく、有機材料を用いた太陽電池の効率を高めることが知られている基本的なプロセスを理解することが目的です。」と、URVの実験科学・数学の教授であるDe GraafはHPCwireのインタビューで説明している。「私たちが注目している材料は、テトラセンやペンタセンなどの中規模の有機分子です。これらの分子は、太陽光を吸収して、一般的なメカニズムのように1つの電子-正孔ペアを生成するのではなく、2つの電子-正孔ペアを生成することができます。」

このプロセスは一重項分裂と呼ばれ、このような有機材料を使用することで、理論的には太陽電池の効率を2倍にすることができるとDe Graafは続けた。「私たちは、一重項分裂の潜在的な効率を決定する特性について、これらの新しい材料をすべてスキャンしています。」と彼は言う。「これは、分子の電子構造をシミュレーションすることで実現しています。」

分子の電子構造をシミュレートする方法の多くは、「一重項分裂に関連する特性を部分的にしか考慮できない」とde Graafは説明する。そこで研究チームが採用したのが、80年代に開発された「非直交配置相互作用（NOCI）」と呼ばれる手法である。この手法は、計算コストが高いために使われなくなっていたが、最近になって「GronOR」というオープンソースのコードで再び採用された。

しかし、この40年間でコンピュータが大幅に進歩したにもかかわらず、NOCIは依然として「計算コストが非常に高い」とde Graafは述べている。「しかし、この手法は並列化に非常に適しており、プロセスの大部分をGPUで比較的容易に行うことができます。」

計算機の性能

	スパコン「Summit」

このようなニーズを踏まえて、チームは2つの巨大なシステムで時間配分を行なった。1つ目は、米国エネルギー省のINCITE（Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment）プログラムにより、148.6 Linpackペタフロップスのスパコン「Summit」に108万ノード時間、2つ目はPRACE（Partnership for Advanced Computing in Europe）により、44.1 Linpackペタフロップスのブースターモジュール「Juwels」（ヘッダーの写真）に24万3550ノード時間の割り当てを受けた。どちらのシステムにも相当数のGPUが搭載されており、Summitには27,648個のNvidia Volta GPUが、Juwelsブースターモジュールには3,744個のNvidia A100 GPUが搭載されている。

de Graafは、「我々が使用している2つのアーキテクチャは、我々の計算を可能にするために必要なものです。GronORは、両方のマシンでマシンの限界まで線形にスケールし、GPUを使用した場合には20倍以上のスピードアップを実現します。これまでに行った最大規模の計算では、4,600個のSummitノードにそれぞれ6個のGPUを搭載し、各GPUに3つのランクを持たせて、8万以上のプロセスを同時に実行させたことがあります。Juwelsのコンピュータは1ノードに4つのGPUを搭載していますが、世代が新しいこともあり、両機での計算はほぼ同等の速度です。」

今回のプロジェクトのスケジュールについて、de GraafはSummitのINCITE割り当ては2年間で、1月から始まり、一方、JuwelsブースターのPRACE割り当ては、10月から1年間のプロジェクトだと述べている。

de Graafは、「今回の超並列・GPU加速プログラムにより、100個以上の原子を持つ分子に対してNOCI計算を行うことができ、潜在的に興味深い一重項分裂特性を持つ多くの分子をスクリーニングできる可能性が広がりました。これにより、有機太陽電池で太陽光を吸収して電荷キャリアを生成する層の新しい候補を提案できるだけでなく、（おそらくもっと重要なことですが）化学修飾が一重項分裂特性にどのように影響するかを理解することができ、その結果、新しい材料のデザインルールを導き出すことができるでしょう。」と述べている。