GEリサーチ、エクサスケール時代に突入

Oliver Peckham オリジナル記事

GE リサーチの計算手法研究シニアディレクターであるリチャード・アーサー氏は，DOE の Advanced Scientific Computing Advisory Committee（ASCAC）の最新会議で，次のように説明した：デバイスを流れる世界の電子の 1/3 は GE 装置で生成されており，2 秒ごとに GE エンジンによって飛行機が離陸し，毎分 16,000 の医療スキャンが GE 装置で行われています – これらは数え切れないほどです．この会議でアーサー氏は、HPCリソース、特にDOEが提供するHPCリソースが、同社の膨大な業務と研究努力にとっていかに重要であるかを強調し、エクサスケール時代がそれらをさらに変革する可能性があることを強調した。

GEの機器は厳格に規制されており、期待寿命が長く、非常に高価であるとアーサー氏は言う。「それが機能しなくなると、大きな影響が出ます。だから、GEリサーチがこの装置の開発中にモデルを走らせるとき。”ガベージ・イン、ガベージ・アウト “のようなモデルにしないことが非常に重要なのです。」

ジェットエンジンを通過するガスの流れ、水力発電所を通過する水の流れ、風力タービンを通過する風の流れなど、GEリサーチの仕事の多くは「計算流体力学の遊泳路」を占めている、とアーサー氏は続けた。この仕事には、多くの時間とエネルギー省からの補助金が必要だ。

「2017年までに、」とアーサー氏は述べた。「査読付き競争補助金において、GEはすでに多くのラボで国立ラボのマシンを10億コア時間以上使用しており、今日までに、14のINCITE賞、22のALCC [ASCR Leadership Computing Challenge] 賞、6のHPC4Manufacturing [賞]、その他のディレクター裁量補助金などがあります。」

エネルギー

もちろん、その時間は有効に活用されている。数年前、世界最大のガスタービンメーカーであるGEは、タービンに影響する問題の切り分けに苦慮していた。「このマシンにアクセスする前は、一度に1つの燃焼器しか見ることができませんでした」とアーサー氏は言う。「しかし、複数の燃焼器間の相互作用によって、複数の燃焼器をシミュレートして初めて分かる問題がありました。」

	スーパーコンピューターのシミュレーションによる、GE社のガスタービンに必要な改造。画像提供：GEリサーチ

そこでGEは国立研究所の支援を受け、複数の燃焼器のシミュレーションを行い、問題（数分の1インチ動かす必要のある燃料穴）を切り分け、タービン効率を劇的に向上させることに成功したのだ。(この研究は、HPCwireの2016 Readers’ Choice Award for Best Use of HPC in Energyも受賞している)

風力タービンに関して、GEリサーチは2020年のALCC賞を利用して、沿岸部の低層ジェットが風力エネルギーに与える影響を解明している。「私たちは、風力タービンファームの性能がどうなるかを予測し、運用の信頼性を理解するために、これらの影響を理解したかったのです 」と、アーサー氏は述べている。さらに、GEリサーチは現在、最初に風を受けたタービンがさらに後方のタービンに与える後流効果を理解することに取り組んでいる。この効果により、効率が最大40％低下する可能性があるとアーサー氏は述べているが、物理的な風洞実験ができる場所はない。

画像提供：GEリサーチ

「しかし、波のうねりやより複雑な大気現象、風力発電所間の相互作用など、複雑な相互作用はまだ実現できていません」とアーサーは述べている。「エクサスケールでは、風力発電所と風力発電所の相互作用が実現可能になると考えています。」

航空分野

GEリサーチが取り組んでいるもうひとつの大きな取り組みが、「RISE “ジェットエンジン・プログラム」だ。”RISE “とは、”Revolutionary Innovation for Sustainable Engines “の頭文字を取ったものである。RISEはGEとフランスの多国籍企業サフラン社との合弁事業で、1979年まで遡る航空機のモデリングと改良の取り組みの3番目となるものだ。LEAPと呼ばれる前世代のモデリングでは、GEのエンジン設計において15％の燃料効率の向上を達成した。RISEでは、二酸化炭素排出量を20～100％削減し、さらに燃料消費量を20％削減することを目標としている。

画像提供：GEリサーチ

「これは水素（燃料）への道と見られています」とアーサー氏は言った。「しかし、燃料としての水素からゼロ炭素排出の恩恵を受けるには、対処しなければならないことがあります。」 それらは、キロメートルあたりの価格（水素燃料は高価）、ジュールあたりの体積の増加（水素はより多くのスペースを取る）、そして関連して、航続距離の減少（貯蔵できる燃料が少ないため）だ。「水素を実用化するためには、推進効率を大幅に向上させなければなりません」とアーサー氏は言う。「RISEは水素への道であると同時に、ナセルとは対照的なオープンファン設計など、他のものへの道でもある」とアーサー氏は後に付け加えた。

そのためには、かつてないほど詳細なエンジンのシミュレーションを行う必要がある。シミュレーションを始めた当初、GEが一度にシミュレーションできたのはタービンのブレード1枚だけで、その有用性は限られたものだった。(「気流の観点で重要なのは、ブレードではなく、2枚のブレードの間の通路なのです」） その結果、最初は複数のブレード、次に複数のブレード列、そしてエンジンの多段へとスケールアップしていった。エンジン全体をフルスケールで正確にシミュレートすることが夢なのだ、とアーサー氏は説明する。

しかし、当然ながら 「いつでも、あるシステムに収まる範囲の問題しかシミュレートできないのです」とアーサー氏は述べた。GE Research では長年にわたり、オークリッジ国立研究所の Jaguar システム、アルゴンヌ国立研究所の Mira システム、自社の Cray システムなど、さまざまなシステムを利用してタービンシミュレーションを実施してきた。アーサー氏は、Mira の研究によって氷の形成に対するアプローチが大きく変わったと述べているが、完全なエンジン シミュレーションは実現できていない。

「飛行試験を行う前に、リグ試験を行っています」とアーサー氏。「これは通常、風洞で行われますが、この風洞は実際の製品よりも小さいのです。NASAの風洞に入るような小さな風洞をつくりますが、小型エンジンの気流に関連するレイノルズ数は、製品に搭載されるファンと比べてかなり低いのです。そのため、製品スケールで設計をテストするための風洞がありません。そのため、飛行試験までテストされないのです。」

そのため、2019年にGEリサーチがエクサスケールの夢を描いていたとき、その夢の中にはエクサスケールシステムを利用して、エンジンシミュレーションをもう一段上のレベルに到達させることも含まれていた。

「2021年のINCITE（プログラム）でこのための基礎を築き、今回、高レイノルズ数での完全3Dオープンファンの世界初の壁分解ラージエディーシミュレーションを完成させました」とアーサー氏は述べた。「これはまだリグテストスケールでした。もし、これと同じようなシミュレーションをフライトスケールで行おうと思ったら、もっと大きな装置が必要になるでしょう。」

アーサー氏は、「そこで、オークリッジに働きかけ、最終的にALCCプログラムに、利用できるものは基本的にすべて利用するという提案をしたのです」と続けた。

最初の公式なエクサスケールシステムであるFrontierをはじめ、オークリッジのSummitシステム、NERSCのPerlmutterシステムで多くの時間を過ごすことができたのだ。(そして、「もし、誰かが空き時間を作ってくれたら、私たちは、それを積極的に利用しようと思っています」と、アーサー氏は語った。）

アーサー氏は、「リグテストスケールで離陸テストを実行するには、Summitで約7万ノード時間のシミュレーションを行う必要があります」と付け加えた。「同じシミュレーションを製品規模で行うと、Summitでは600万ノード時間以上になります。」

「というわけで」、アーサー氏は「我々はFrontierが大好きです！」と締めくくった。