熱流体解析よもやま話

■ 熱流体解析よもやま話　No.28[法線応力差」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　コーヒーカップをスプーンで混ぜると、何故砂糖やクリームが均一になるのか知っていますか？　　単純にかき回しただけでは、確かにカップの中に旋回流は起きますが、何故上下方向にも混ざるのでしょう。　これは大学4 年の時に、流動の講義で当時の助教授先生が教えてくれたことです。

　答えは、カップの中に起こる旋回流による法線応力差（Normal Stress Difference）が原因です。　カップの底面で起こるせん断応力と壁面で起こるせん断応力に差があるために、壁面を上昇する流れが発生すると言うものです。　カップ壁面を上昇した流れは表面中心付近で下降し、このためカップ全体で上下方向の流れが生じる事になり、コーヒーは上下にも混ざります。　

　カップに浮かんだ泡やクリームが中心に集まっていくのもこれが原因です。法線応力差は非ニュートン流体での現象とされますが、ニュートン流体でも起こります。　コロイドや高分子流体などの非ニュートン流体の場合は、法線応力差はワイゼンベルグ効果やダイスウェルなどの、特徴的な現象として観察する事が出来ます。

　なおカップの中のコーヒーを混ぜる向きは、上から見て左回りの方がやや効率的です。　これは地球の自転によるコリオリ力に逆らわないからです。台風の風の向きが北半球では左回り、南半球では右回りなのも、このコリオリ力のためです。　よく見ると我々が水洗トイレを流す際の水の回り方もやはり左回りです。　これはコリオリ力と相まって、左に旋回しやすいように便器の表面が設計されているそうです。　北半球と南半球では水洗トイレの作りが異なるのは何だか面白いです。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

■ 熱流体解析よもやま話　No.12-2「CGの話」

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　当時のNASAの描画ソフトはPLOT-4Dと呼ばれるもので、使われたグラフィック・ライブラリはGLと呼ばれるものでした。 GLは後にOpenGLに発展し業界標準となりました。OpenGLは、SGIをはじめ、ヒューレット・パッカード(HP)、サン・マイクロシステムズ（現オラクル）、IBM、SONY-NEWSなどのUNIXワークステーションの他、Linux、FreeBSDなどのPC UNIXに加え、 Windows、macOS等で使用できるクロスプラットフォームなグラフィックスAPI(ApplicationPrograming Interface)です。

　但し、現在のハードウェアから見たグラフィック・ライブラリの標準はMicrosoftのDirectXです。市販されているほとんどのグラフィックボードは、NVIDIAもAMDも全てDirectXに最適化されており、非常に高速な描画が実現できます。今DirectXはバージョンが12になり、並列シェーダーなどをサポートし更に進化しています。　

　OpenGLはすべてのグラフィックボードにおいてエミュレーションモードで動作する事が出来ます。 OpenGLで書かれたソフトウェアは非常に多いので、プログラミング的な見地と言うかソフトウェア作成の上での業界標準はOpenGLになります。しかしハードウェアに直接アクセスせず仮想的にDirectX用に最適化されたグラフィックボードを使っている関係上、描画速度等は大きく制限されます。

　DirectXのAPIで直接グラフィックボードをコントロールした方が、当たり前ですが遥かに描画速度は速いのです。ちなみに弊社のソフトウェアはDirectXに準拠して開発されています。その高速描画は定評があってユーザ様にはご存じと思いますが、現在では数1000万から1億グリッドの描画もPCで可能です。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

■ 熱流体解析よもやま話　No.12-1「CGの話」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　今回はCFD（計算流体力学）に特化したCGのお話をします。

　CFDのCGデバイスは、１９８０年代前半のSiliconGraphicsの IRIS-4Dワークステーションの登場をもって嚆矢とします。それまで静止画でしか見た事のなかったシミュレーション結果が、目の前で動くと言う信じられない出来事を経験したのは昨日の事のように思い出します。1984年3月、米カリフォルニア州モフェットフィールドのNASA Ames Research Center, CFD Branch を見学した際の事です。Reentry（大気再突入）するスペースシャトル周りに描かれた流線が動いた時は本当に驚きました。それに加えて見る角度を変えても同様にアニメーションが出来ました。流れが何と分かりやすいのだろうと感動もしました。

　見学に立ち会って下さったのは、当時のCFD BranchチーフのDr.スティーブ・ダイバート氏と、現JAXAの中橋和博先生（元東北大教授：当時は航技研角田支所所属でAmesにポスドクで留学中）。その後の私の人生を決める得難い経験でした。Ames Research Centerの見学紹介の労を取って下さった筑波大学柘植先生とAmesOBのDr. Kenneth Kenji Yoshikawa氏にも感謝です。

　今となっては基本的なアーキテクチャですが、IRIS-4Dのダブルバッファリングによる描画機能のおかげです。ラスターグラフィックスで画面を記述する２つのフレームバッファを持ち、画面で片方のフレームバッファの内容を表示しているうちにもう１つのフレームバッファに描画を開始し、描画が終わったら画面表示をそちらに切り替え同じプロセスを繰り返してアニメーションを実現させるものでした。この秀逸なアイデアはCGでのエポックメイキングなもので、今でもこのアーキテクチャで我々はPCの画面上で動画を見る事が出来ます。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.11-2「CG（コンピュータ・グラフィックス）による流れの可視化１」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　「毎年夏にアメリカで開催され、世界中の多くの研究者により最新のCGの論文が発表され、技術更新がなされている。ここで発表された技術が多くの3DCGソフトの開発に活かされる。Autodesk (Maya,3ds Max,Softimage XSI)、NewTek(Lig htWave 3D)といった大手3DCGソフト会社が、自社ソフトの最新版の発表をこのSIGGRAPHですることも多い。」と言う事ですが、 2008年からは毎年冬にアジアでもSIGGRAPH Asiaが開かれているようです。

　一般的なCGの歴史を語るのは私には荷が重いし専門ともやや外れるので、広島大学で中前栄八郎先生と共に日本のコンピュータグラフィックスの礎を築かれた西田友是先生のホームページを紹介するにとどめます。

＜CG History -西田研究室＞

SutherlandやBezier、Blinnなどきら星のごとき名前が出て来ますが、こういうのに馴染みがあると言うか関心がある人がどんどん減っているそうです。
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■ 熱流体解析よもやま話　No.11-1「CG（コンピュータ・グラフィックス）による流れの可視化１」

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■ 熱流体解析よもやま話　No.10-2「入出力機器の話　ーグラフィック端末とCADー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　ICADで書いた2次元図面の線情報を読み取って、鋳型凝固の解析モデルを組み上げ、そこに物性値や初期値・境界条件を割り付けて別立てのソルバーにデータを引き継ぎ、シミュレーションが終わったらCADで結果を取り込み、コンターライン（凝固時間）の結果図をまたCADシステムで表示する。2次元ですから視野角や視点は気にしなくて良いし、カラーディスプレイがまだ普及していない時代ですからモノクロの図形だけ扱えば良い訳なのですが、かたやCADの乗っていたコンピュータが遅くて（FACOM 230-48？）、スムーズな動作には苦労したものです。

　イベント駆動型ソフトは、現代では我々の日常に溢れかえっており、携帯やスマホなどで常にお世話になっている状況ですが、バッチ式処理が主体だった時代にあって、FORTRANのような単純な事しかできない言語（当時はまだC++は存在しませんでした。）でのプログラムのコーディングを通してコンピュータに自分の指示を認識させるのはある種の冒険でした。しかし日を追うに連れて思うような処理が出来ていくことに、一定の手応えを感じたものでした。

　考えればこれは今で言うCAD/CAEシステムのハシリであり、建築業界で言えば今のBIMによく似ています。しかしCAD(Computer Aided Design)と言う言葉や概念がまだよく理解されていない時代（1982年ごろ）だったので、システムを見に来る人への説明には四苦八苦しました。このCADを利用した日本初の凝固シミュレーションシステムはBACCUS（バッカス）と呼ばれて、川崎製鉄知多製造所の鋳造部で永く稼働したと聞きます。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
■ 熱流体解析よもやま話　No.10-1「入出力機器の話　ーグラフィック端末とCADー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　前回はTSS端末とプロッターの話をしました。TSS端末の話をもう少し。当時のTEKTRO4014のストレージ型のCRTは、陰極線が文字が最初に書かれる左上を必ず照射するので、長い年月の間にその部分が劣化して発光が不鮮明になっていきます。そう言う時はどうするのでしょう？今の感覚で言えばすぐ交換と言う事になるのでしょうが、今のような4Kの20インチ以上の液晶ディスプレイが数万円で手に入る時代ではなく、目の玉が飛び出る金額が掛かったもので、おいそれとは気軽に交換出来ません。

　さて正解ですが、ディスプレイのCRTの部分を上下に180度回転させて、今まで照射を受けていない右下だった部分を左上に来るようにします。それまで左上だった部分は右下のほとんど使われない場所になるので、メデタシメデタシと言うところです。実際に修理するところを見た事がありますが、こんな簡単なことで次から新品のように使えたのでビックリしました。

　さて、今回からはCADとコンピュータグラフィックスの話をしましょう。私がCADシステムを初めて触ったのは1984年頃の話です。触ったCADを2種類。富士通のICADとAppliconのBlabo!と言うシステムです。富士通のICADの習得には、蒲田のシステムラボラトリに1週間通いました。

　当時のICADは、入力プロンプトを解釈するコマンド解析部と、指示された機能を実現するプログラム部に分かれていました。今で言うイベント駆動型ソフトのハシリみたいなものでしたが、現代のようにAPIやひな形が整備されておらず、Wizardなど夢のまた夢でした。そんな中でわずかなサンプルプログラムを参考にしながら手探りで開発を進めたものです。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.9-2「入出力機器の話　ーTSS端末とプロッターー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　図形やグラフを描く方法としては、もう１つXYプロッタと言う装置がありました。これはA1サイズ以上の大きなロール紙にボールペンで図形を描くものでして、主に設計図のようなものを描くのに使われていましたが、結果データを図形やグラフで描画のプログラムをFORTRAN で自分で書き、計算ジョブとは違うプロッタジョブをバッチで流して計算結果を図にしていました。プロッターが動くゴトゴトという無骨な音を聞くと、いかにもコンピュータが働いているのだなあという実感がありました。

　XYプロッタを使う際、数値流体解析の場合は自前で速度ベクトルと等値線（コンター）を描くプログラムを書く必要がありました。そんな描画関数のライブラリは当時まだメーカーが用意していなかったからです。描画プログラムをうまく作れば非常に綺麗な結果図が描けるのでアルゴリズムには大いに凝ったものでした。ベイジェとかB-スプラインなどと言う用語がまだ普及する前のことです。プロッタは高級な機種だと２色から３色のペンが使えたので、初めて色の付いたプロッタ図を手に入れた時は感動しました。TEKTRO端末で得られるハードコピー装置はモノクロでしか描けなかったからです。フルカラーのハードコピー機が使えるようになったのはもう少し後になってからになります。弊社が何故秋葉原にあるかと言うと、当時高価で手に入りにくいハードコピー用紙や専用インクを、いつでも少量でも買いに行けるメリットがあったからです。ウソのような本当の話です。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
■ 熱流体解析よもやま話　No.9-1「入出力機器の話　ーTSS端末とプロッターー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　今回は予告通りTSS端末とプロッターの話をします。TSSとはタイムシェアリングシステム（Time Sharing System）の事です。それまではコンピュータに投入する計算ジョブは基本的にバッチ式だけでした。この方式では、一回ジョブを起動すれば結果が出るまでそのジョブは計算を続けます。TSSはコンピュータの計算資源（主にはCPU）を時間で割って複数のジョブで共有して実行するステムです。そのため途中での計算結果の確認やジョブを途中で止める事が随時できます。入力データはあらかじめコンピュータ内にパンチカードや磁気テープから投入し保存しておいたデータが使え、大変便利になった事を実感したものです。一度のジョブで複数のデータを自由に参照できたり、書き込みが出来たりしたのも、仕事の効率を上げる事に大いに寄与しました。

　この時は大学院から既に企業に就職していたのですが、導入したTSS端末の空きを探して設置されている部署をジプシーのように移動して仕事をしていました。端末は名機と言われたSONY TEKTRO 4014で、画面上で緑色にブリンク（明滅）する文字を、朝から晩まで追いかけたものです。

　端末は今のようなラスターグラフィック式ではなくストレージ式で、緑色のビームがブラウン管（CRT）を照らして文字や図形を描くタイプです。描画速度はそのせいで非常に遅いものでしたが、当時はその便利さに驚きました。出力がプリンタ用紙しかない時代では、紙に印字された数値をいちいち読み取るしかなかったのが、端末で図形やグラフを描き、それをボタン操作一つでハードコピーで保存出来たからです。ただこのハードコピーは普及当初は紙代が非常に高く、使い過ぎて事務の女性によく文句を言われたものでした。当然、長距離出張の時はお土産は必須でした。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.8-2「入出力機器の話　ー磁気テープー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　当時の計算機データの構造として「順データセット」と「区分データセット」があり、データの長さの定義についても、「固定長」と「不定長」があり、これらのデータの扱いをきちんとしないと磁気テープジョブは動かせませんのでマニュアルと首っ引きで勉強しました。今でもあまり苦にせずにコンピュータアーキテクチャの本が読めるのは、この時代の蓄積があるからと思っています。何事も基本は大切です。

　磁気テープ操作に読み取りと書き込みがある関係で、磁気テープには中央の芯の部分に小さなプロテクト用のスライダーがあり、それがオンになっていると書き込みが出来ません。シミュレーションをスタートする際にジョブがデータを読みに行くとマウント指令が出るので装置に磁気テープを取り付けに行きますが、ジョブの最後に書き込み動作があるとまたマウント指令が出て書き込みのためにまた磁気テープを取り付けます。この時はプロテクトを外すのですが、うっかりしてテープを間違えるとそれまでそのテープに蓄積していたデータが全てお釈迦になります。テープの格納データを管理するディレクトリという場所が書き換えられるからで、失ったデータが重要なものであった時は、卒業が遠のくのを肌で感じたものでした。皆さん、データのバックアップは面倒くさがらずに確実にやりましょう。

　磁気テープのおかげで研究は順調に進みましたが、楽だった反面辛い事もありました。前回お話した２０００枚入りのパンチカードのトランクに加えて、数本の磁気テープを持って計算機センターに通う毎日は結構難行苦行でした。あれで腕っ節は多少強くなったと思います。ソフトウェア開発業が、首から上の賢さよりも、首から下の体力の方が重要であると言うのは、実は昔からだったのです。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
■ 熱流体解析よもやま話　No.8-1「入出力機器の話　ー磁気テープー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　紙テープ・パンチカードとお話ししてきて、今回は磁気テープの話になります。コンピュータが動いているというのを表現する時に映画やテレビでよく使われていた、大きなリールが間欠的にクルックルッと回るあれです。学生時代に分子動力学の研究をしていた時に、パンチカードと併用で計算機センターでよく使ったものです。今からちょうど４０年前、１９７７年頃のお話です。

　磁気テープを使うジョブをJCBカード（いわゆるジョブコン）で指定すると、所定のタイミングでマウント指令がディスプレイに現れます。ディスプレイがまだ珍しい時代で、それを使うのになにか優越感みたいなものを感じたものでした。おもむろにケースからテープを取り出し、ジョブを流す本人が磁気テープ装置に近寄り直接操作をします。磁気テープ操作を計算機センターのオペレータに依頼するクローズドジョブもありましたが、私はある理由から自分で磁気テープを操作するオープンジョブを利用していました。

　磁気テープ操作には当然の事ながら読み取り操作と書き込み操作があります。紙テープ・パンチカードでは基本的にコンピュータが書き込む動作をする事はなかったので、最初は非常に操作に戸惑いました。しかし慣れてみると、人間とは比較にならないスピードでデータが出来ていくので、大いにその恩恵を利用しました。途中の結果からシミュレーションをスタート出来るリスタートもこの当時使い始めました。非定常計算である分子動力学法だから出来たことですが、このテクニックは社会人になってからCFDソフトを開発する際に大いに役立ちました。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ (続く)
■ 熱流体解析よもやま話　No.7-2「入出力機器の話　ーパンチカードー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　パンチカードは紙テープのように切れる事はありませんでしたが、やはり紙製ですから長く使っていると擦り切れ劣化します。更に大量のパンチカードを常時扱ったりしていると、角が傷んだりあるいはカードそのものに折れ目が付いたりします。四角い穴が破損することもしばしばです。これが原因で起こるトラブルが研究者泣かせでした。

　快調に進んでいたカードリーダーへのパンチカードの読み込みが止まると、「ジャムった～。」と叫びながら、都度自分で操作の対応をしなければなりません。落ち着き払って既に読み込んだカードの最後の１枚をリーダー側に戻して再スタートボタンを押す。これでうまく行けば万々歳ですが、半分の場合は再スタートしません。無理やり再スタートさせると、プログラムかデータが一部欠けた状態で計算される訳ですから、課金されたものが無駄になり、指導教官からお目玉を喰らいます。

　また、カードはトランクに最大２０００枚入りますが、これを誤って床に落っことすと復元するのが大変です。カードの順番が違うと、全く違った計算ジョブになりますから、顔を引きつらせながらカードの順番チェックをしたものです。計算費用が無くなると、最悪卒業論文が書けない事になるので必死でした。今となっては笑い話ですが。

　なお、既にお分かりかも知れませんが、パンチカードシステムはプログラム内蔵型計算機を前提としています。インタープリター型計算機であれば、プログラム・データの所定の部分を随時再読み込み出来なければなりませんが、パンチカードシステムではカードの流れは１方向で、逆進は出来ませんので、プログラム内蔵型にしか対応していません。念のため。

　読み込めなくなった傷んだカードは、全体の様子を見てどれだけの修復をするか決めます。個々のパンチカードを目視で検査すれば傷み具合は分かりますから、折れたり破れたり穴が傷んだカードはチェックして取り替えます。専用のパンチカード作成機に入れてカードを複製出来れば良し、傷みがひどくて複製出来なければ、再びカードにプログラムやデータを手で打ち込みます。それでも紙テープを修復するのに比べて、作業は非常に簡単で、技術革新の有難味を大いに感じたものでした。
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■ 熱流体解析よもやま話　No.7-1「入出力機器の話　ーパンチカードー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　引き続き、入出力機器の話の続きです。前回お話した紙テープ以前の時代には磁気ワイヤーの時代がありました。紙テープの代わりに直径１ｍｍくらいの金属製ワイヤーに磁気ヘッドで記録する方法です。私は残念ながら使った事はないですが、流石に記録密度が荒い点や、早期に劣化しやすいなどで、現場からは早くに退場となったのだろうと考えられます。紙テープの次はパンチカードの時代でした。もはや前時代の遺物ですね。

＜パンチカード-Wikipedia＞

　８０欄のカードは、大きさが 187.325 mm × 82.55 mm。EBCDIC文字セットと特殊記号を入力できるもので、１枚がプログラム・データの１行に相当しました。計算機システム毎に異なるジョブコントロールカードと言うものでプログラムとデータを挟み込み、１セットの計算ジョブを規定するカードデックと言う束を作りました。

　学生当時、分子動力学の研究をしていたので、パンチカードを専用のアルミ製トランクに入れ（トランクは研究室で買ってもらいました。結構高かった。）、颯爽と大学の大型計算機センターに通う毎日でした。大型計算機と言っても、計算能力は現代のパーソナルコンピュータの1/1000もありませんでしたが・・・。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.6-2「入出力機器の話　ー紙テープー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　切れたテープをどうやって修復するか？先ずリールや読み取り機から紙テープを出来るだけ傷付けずに回収します。と言ってもものは紙ですから、どこかの部品にそれが食い込んでいると、無傷で回収するのは不可能に近いです。その場合は食い込んだ部分は諦めざるを得ないので途中が無くなったテープになってしまい、その部分だけをまた打ち直す必要があります。

　それだけならまだ良いのですが、これを継ぎあわせるのがまた厄介。紙テープですから普通の木工用ボンドなどで貼り合わせるのは簡単に出来ます。それでも手先の器用でない者は接着面が波打ったり斜めに貼り合わせたりと、あちこちで惨状が繰り広げられました。貼り合わせたテープは当然の事ながら接合部の穴は埋まっています。それらの穴を整合性を保ちながら一個一個専用のパンチで開け直していくのですが、何とも根気と神経の要る作業でした。穴にはパリティビットと呼ばれる規則性のある穴もあってルールに沿って開けないといけません。細心の注意で作業したテープが一発で通った時の爽快感は何とも言えないものでしたが、気がついたら夜が明けていた事もしばしばでした。

出力の方は、コンピュータグラフィックスなんて洒落たモノのない時代ですから、プリンタ用紙に大量に並んだ数字をただただひたすら読んでいくしかありません。ある研究者の部屋を訪ねたら、今で言うアスキーアートのような形で流れ場や分布を二次元表示していたのに感動したことがあります。いつの世の中でも頭の良い人は居るものですね。

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■熱流体解析よもやま話　No.6-1「入出力機器の話　ー紙テープー」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　入出力機器の話をしましょう。私が初めてコンピュータに触れたのは1975年。当時学んでいた大学の実習用電子計算機のOKITACが、私の最初に触ったコンピュータです。当時、沖電気が汎用コンピュータを制作していたなんて、ほとんどの人は知りませんよね。

　入力には紙テープを使いました。幅が３センチくらいの、ザラっとした厚手の黒い紙で出来たテープです。これに穴が空いていてそれで表現された2進数を光学リーダで読み取ります。当時のコンピュータはインタプリター式ですから、計算をさせる度にテープリーダーが映画フィルムのマガジンのようなリールから紙テープを読み取り、読み取りの終わったテープは別のリールに巻き取られていきます。当時の映画館もフィルムが時々切れて上映が中断する事も少なくなかったですが、フィルムよりもっと強度の小さい紙テープは計算中に頻繁に切れてくれて、我々をよく煩わせてくれたものです。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.5-3「国産大手CFDソフトベンダーの身売り」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　ごく最近ではSTAR-CD,STAR-CCMの開発元が、やはり日本で現地法人を設立し、それまでの日本代理店であったCDAJ社の営業権を一方的に奪ったと言う事件がありました。こう言った事件の常として、今まで営業やサポートに当たっていた社員が排斥され、開発元が雇った市場に馴染みのなかった人材が入って来るので、やはりユーザサイドの混乱は避けられなかったようです。

　今回の日本CFDソフトベンダーの身売りは今までとはやや違った様相を見せています。元々外資企業などに侵食されないはずの生粋の日本企業が、創業者が持ち株を総て手放し外資に売ったために、身売りが決定してしまいました。何か大金が必要な事情でもあったのでしょうが、これも時代の特徴を反映しているのでしょうか。

　営業・サポート体制の維持のためには何事もないと良いのですが、外資企業に営業権が移った以上、武田技術開発・流体コンサルタント・CDAJが経験して来た弱体化は避けられないのではと考えるのが普通でしょう。また、MSCの世界市場でのCFDビジネスを担当する以上、日本以外の市場にフォーカスせざるを得なくなり、日本市場への経営資源の配分が希薄になるかもというのも気になるところです。まだ日経系などの大手メディアからのニュースリリースは無いようですが、それも日本市場の反応を懸念しての事かも知れません。

　しばらくは日本固有のCFDソフトを築いてきた企業の趨勢を見守りたいと思います。
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■ 熱流体解析よもやま話　No.5-2「国産大手CFDソフトベンダーの身売り」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　そのFLUENTは2000年代に入ってからANSYSに買収され、そのANSYSが、FLUENTではなく見た目ソフトとして綺麗にできているように見えるCFXに経営資源を集中したため、FLUENTは営業体制・技術サポート体制が崩壊しました。「集中と選択」と言うのは投資家にとっては都合の良い言葉ですが、一生の仕事として業務に先進してきた従業員や経営者にとっては無慈悲なものでしかありません。日本はまだマシでしたが、欧米ではエンジニアがほとんど社外に流出したと言われます。全世界で当時数1000ユーザを擁した押しも押されぬ巨大ソフトの市場が、目の前で呆気なく消えていく様に、我々も戦慄を禁じえませんでした。

　FLUENTの営業・サポート体制が一時期消えたために、代替ソフトを探したユーザは非常に多く、STAR-CDなどの草刈り場になったと聞きます。 OpenFOAMなどのオープンソースコードの利用を現在多くの企業が進めている動きは、このような巨大ソフトがあっさり消えてしまうCFD市場の不安定さにユーザの嫌気がさしたからとも分析できます。そのOpenFOAMですが開発元だったOpenCFD社がいつの間にかSilicon Graphics社に買収されています。今でこそ無償のOpenFOAMですが、有償化される日が来ないとは言い切れません。自前のソフトウェア開発力に乏しい日本の悲劇は既に始まっています。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.5-1「国産大手CFDソフトベンダーの身売り」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　今回は予定を変更して、年末に飛び込んできたニュースについて所感を語りたいと思います。国産CFDソフトウェアベンダーが外資企業に突然身売りすると言う事件です。

＜MSC、熱流体シミュレーションのソフトウェアクレイドルをグループ企業に＞

　この業界では、国内でソフトウェアの普及に汗水たらして努力した人に対して、ソフトウェアの開発元が現地法人を作って営業権を奪ってしまうという事がしばしば起こります。国内でその先駆けとなったのは日本HKSの創立でしょう。HKSは構造解析で著名なAbaqusの米国の開発元なのですが、当初は日本国内の販売と普及は「武田技術開発」と言う会社が担ってきました。武田技術開発は、後に法政大学の工学部長を歴任された武田洋先生の作った会社です。それがある日突然、開発元の代理店がいきなり日本に乗り込んで来て、武田技術開発が営々と築いた日本市場の売上を全てかっさらっていきました。当時、みな唖然としたのは言うまでもありません。

　欧米の投資家にとっては会社経営というのは単なるゲームですから、TOBやM＆Aは日常茶飯事です。しかしこう言った、一般販売代理店として日本人ベンチャー企業が築いた市場を、海外の開発元が業績を良くするために独占販売代理店の特権を行使して力づくで奪い取るというのも珍しい話ではありません。日本でFLUENTと言う流体解析ソフトをCFDの草分け時代から普及・販売を続けて来た「流体コンサルタント」という企業に対して、米国の開発元がやはりいきなり日本法人を作って営業権を奪ったのは1990年代後半の事です。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.4-2「NASA Ames Research Center」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　コンピュータ室も見学させてもらいましたが、当時最新鋭のCRAYとCYBER-205が鎮座しているのを拝謁したものです。コンピュータ室の壁に米国式のソロバン（玉が１列に６つ。Abaqusと呼ばれるものです。）何故こんなものがNASAのコンピュータ室にあるのかと担当の職員に聞いたところ、「スーパーコンピュータが故障したらこれで計算するのさ。」と言う答えが返ってきました。アメリカ人の陽気でジョーク好きなところは今も昔も相変わらずです。一緒に写真を撮って良いかと聞いたら「いいとも！」と言う答えが返って来ましたが、今その写真は残念なことに行方不明です。

ちなみに、有名な構造解析ソフトのABAQUSもこのソロバンと言う名称をそのまま使い今日に至っています。 ABAQUSはソフトを作る前に先ずマニュアルから作ったという事でも有名です。知ってましたか？

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■ 熱流体解析よもやま話　No.4-1「NASA Ames Research Center」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　CFDは元々海外から来た技術です。ハードウェアもソフトウェアもそうです。ハードウェアは前回のお話にあったようなCRAYコンピュータか、それが無ければ IBM互換の汎用機、それとCALCOMPのプロッターで図を書いていたというのが昔の姿です。そこにTEKTRO4014のようなグラフィック端末が現れ、可視化の世界は徐々に芳醇になりました。そこへ1980年代になってからシリコングラフィックスのリアルタイムで描画が可能なワークステーションが出現したときは非常に驚いたものです。

　私は1984年にカリフォリニアのNASA AMES リサーチセンターを、当時の航技研角田支所からNASAに留学されていた中橋和博先生（元東北大・JAXA）に案内されて、IRIS4DワークステーションによるCFDの可視化を見せて頂き大いに感動したものです。今で言うとほんの数秒、機体や翼周りの粒子軌跡が見えるだけのものでしたが、その当時としては日本国内には全くなかったものです。シリコングラフィックスのIRIS4Dワークステーションはその年から日本でも住商エレクトロニクスが代理店になって販売が始まりましたが、１台数１０００万円もしたのでとても手を出せるものではありませんでした。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.3-2「セイモア・クレイ（Seymour Cray）について」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　実際にCray-1は１００台以上が売れると言うベストセラーになりましたが、納品の際に受け入れ側は床の補強をCray側から要請されたと言います。本体と冷媒ポンプの異常な重さを、通常の床では支えられなかったからだそうです。当然、納入機材をエレベータで持ち上げられるはずも無く、床を補強したコンピュータルームの外壁をぶち抜きクレーンで横待ちして所定の場所に据付けをしたと言う実話もあります。デザインも斬新で、２つの径の異なる円筒形の筐体を組み合わせた形は「世界で一番高価なラブベンチ」と称されました。しかしその重い筐体をもってしても、阪神大震災の時は某電機会社のCrayコンピュータが大きな振動で横倒しに倒れたと言われます。いくら座りやすいとは言え、そういう時には出来ればそばには居たくないものです。

　数々の伝説に彩られたCray-1ですが、クレイ自身にはもう1つ伝説があります。それは、ロールアウト仕立てのCray-1にマシンコードを打ち込んでいってブート（起動）出来たというものです。要はOS（コンピュータの基本ソフトウェア）をアッセンブラで何も見ずにキーボードで入力してCrayを立ち上げ出来たというのですが信じられないことです。一体どれほどの天才だったのでしょう。

　そのクレイもCray-1の後継機Cray-2～4などが評価されず、１９９６年に７１歳でこの世を去りました。クラスターなど並列計算機が主流の現代ですが、単体のCPUの中にはパイプラインやベクトル演算器が備わっており、クレイの築いたアーキテクチャは今も生きています。
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■ 熱流体解析よもやま話　No.3-1「セイモア・クレイ（Seymour Cray）について」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　先週はCFD（計算流体力学）の礎（いしずえ）を築いた２人の天才のうち、フォン・ノイマン（Von Neumann）の話をしました。今回はもう一人の天才、セイモア・クレイ（Seymour Cray）の話になります。クレイもやはり大きな業績を持っており、それはスーパーコンピュータのアーキテクチャに関するものです。余談ですが建築の世界にもアーキテクチャと言う言葉があって頻繁に使われ、主に建築様式や構造・設計法・工法を指します。これに対して、コンピュータの世界では設計思想や共通仕様の事を指す場合が多いです。

　クレイの最も著名な業績は、Crayと言うベクトル型スーパーコンピュータを開発したことです。当時、CDC 7600，STAR-100などのスーパーコンピュータは既に存在しましたが、それを大きく上回る性能のコンピュータを彼は作り上げました。 1976年のことです。それは彼の名を取ってCray-1と名付けられ、1号機はLos Alamos 研究所に納入されました。Cray-1がそれまでのコンピュータと一線を画すのは、その冷却性能によるものとされています。水冷の枠と基盤を直結させた冷却システムは、CPUから発生する高熱を効率的に処理したと言われます。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　（続く）
■ 熱流体解析よもやま話　No.2-2「フォン・ノイマン（Von Neumann）について」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　もう１つ、実は大きなフォン・ノイマンの業績があります。それは自己増殖型プログラムの開発です。いわゆる人工生命やGenetic Algorithm、GeneticProgrammingはその発展形と言われますが、もっと平易に言うとコンピュータ・ウイルスもこの自己増殖型プログラムに含まれます。ウイルスと言うと聞こえが悪いですが、常駐型で自己修復機能を持つソフトは全てウイルスみたいなものと言えます。ソフトウェアが良いか悪いかと言うのは使う人間の視点によるものです。

　「CFDでカルマン渦列などの流体現象を解いた」，「プログラム内蔵型電子計算機を開発した」，「自己増殖型プログラムの開発した」巨人フォン・ノイマンが、何故ノーベル賞を受けていないのか私は非常に不思議です。世の中の学術評価はソフトウェアに関しては不当に低く、ダイナブックを構想したアラン・ケイや、Macintoshのインターフェイスを開発したスティーブ・ウォズニアク、Linuxを開発したLinus Torvaldsの業績はもっと高く評価されるべきです。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
■ 熱流体解析よもやま話　No.2-1「フォン・ノイマン（Von Neumann）について」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　CFD（計算流体力学）の礎（いしずえ）を築いた２人の天才と言うか巨人がいます。一人はフォン・ノイマン（Von Neumann）、もう一人はセイモア・クレイ（Seymour Cray）です。今回はフォン・ノイマンの話をしましょう。

　フォン・ノイマンがCFDの礎を築いたと言われるのは、彼がCFDの基礎式を離散化して初めて数値的にカルマン渦列などの流体現象を解いたからだと言われます。実験や実測しかない当時、計算だけで流体現象を再現したというのは驚くべき功績です。乱流モデルも可視化ソフトもない当時ですから、数値を読み取って流れの動きを確認するしかなかったのですが、何もない「無」の状態から「有」を生み出したのは凄いことです。

　更にフォン・ノイマンの大きな業績の一つに、プログラム内蔵型電子計算機の開発があります。それまでのコンピュータ（電子計算機）の計算はインタープリター型でした。コンピュータは、計算に必要な命令群を何らかの媒体からその都度読み取って計算を実行すると言う過程を繰り返していました。媒体といっても、紙テープかワイヤーか磁気テープしか無かった時代ですから、計算が進むたびにコンピュータが媒体を巻き戻して命令をガーと読む様子に、確かに計算が実行されていると言う実感が湧いたものです。これを、計算過程の全命令をプログラム化して記憶しておき（プログラムを内蔵）、それをロードする事によって計算を実行すると言うのは画期的なアイデアでした。余計な入出力が無くなったので計算は飛躍的に早くなりましたし、媒体からの再読込みと言う機械動作の誤作動による計算の失敗も無くなりました。コンピュータの演算装置が、当時の真空管やパラメトロン式から、トランジスタや集積回路（LSI）による高速化を果たすのはかなり後の事です。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
■ 熱流体解析よもやま話　No.1-2「熱流体解析と構造解析」
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 　熱流体解析は、まだまだ解けない問題が非常に多いのです。例えば自動車エンジンにシリンダー燃焼問題は、１９８０年代からいろいろ試みられていますが、未だにシリンダー内の燃焼ガスに火が入ったシミュレーションは実現していません。風の分野でも流入変動風を実施地形や現地の気象データに即してきちんと模擬した風荷重解析はまだ実現していませんし、津波解析でも浮遊物を適切にモデル化して建物への衝突力を計算するに至っていません。

　この他にも、構成方程式が複雑な非ニュートン流体の挙動や、極端に遅い流れはまだ数値シミュレ－ションに乗りませんし、相変化や多くの反応過程のある流れも非常な難題の一つです。熱流体解析は、まだまだ研究テーマの宝庫であり、これからも解析モデルやスキームの開発が必要な分野と言えます。
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■ 熱流体解析よもやま話　No.1-1「熱流体解析と構造解析」
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　 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 熱流体解析は構造解析とよく比較されます。しかし、市場やソフトの性格が両者ではかなり異なります。一体何が違うのでしょうか？最も違うのは汎用プログラムのカバーする範囲でしょう。例えば構造解析ではNASTRAN，AbaqusとLS-DYNAやPAM-CRASHなどのダイナミック解析用のソフトウェアがあれば、皆さんの元にやって来る解析の80％くらいはこなせるでしょう。コンクリートの破壊や亀裂進展問題はいまだに汎用ソフトでは難しいかも知れません。

　これに対して熱流体解析ではどうでしょう？　恐らく今の日本には国産・海外産含めて40本以上のソフトが流通していると思われます。それらのソフトをもし全部持っていたとして、皆さんの所に来る解析のうちどのくらいの割合をこなす事が出来るでしょうか、と言うのがクイズです。さあ、どのくらいの割合でしょう？

　構造解析と同じように80％？いやいや、それはいくら何でも無理です。50％？そのくらいあれば嬉しいですが、現実は甘くありません。人によって答えは若干変わるでしょうが、私の答えは10～20％です。

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ （続く）