大型放射光施設 SPring-8

公開日

2026年04月03日

2026年4月3日
理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人東北大学

背景
大型放射光施設では、物質中の原子や分子の構造や運動を高精度に観測するため、検出器の高速化・高精細化が急速に進んでいます。時間変化を捉える測定では、1秒間に数万枚の画像を取得する必要があり、1回の実験で生成されるデータ量は飛躍的に増大しています。
本研究で対象としたQEGS実験では、84万画素の検出器を17.4kHzで動作させることで、ナノ秒（10億分の1秒）スケールの原子・分子の動きを観測します。その結果、1週間当たり19PBもの大容量データが発生します。
従来のビームライン計算機環境では、このようなデータをそのまま保存・転送・解析することは現実的に難しく、解析には数日以上を要することもありました。そのため、実験中に結果を確認して測定条件を最適化することが困難でした。
さらに、SPring-8-IIでは光源の高輝度化に伴ってデータ量はさらに増加し、EB級に達すると見積もられています。このため、取得後にまとめて処理する従来の運用から、取得と同時に処理して結果を返すデータ処理基盤への転換が不可欠です。

研究手法と成果
本研究では、検出器から出力される毎秒27GBのデータをそのまま保存するのではなく、データ生成直後に前処理と可逆圧縮を行う新しいアプローチを採用しました。具体的には、FPGAデータ処理基板に搭載したFPGA（書き換え可能な半導体回路）上で、画素ごとの背景信号を補正し、ノイズを除去するしきい値処理、短時間に連続して得られる画像を統合する処理を実行するようにしました。これらの処理により、科学的に意味のある信号を保ちながら、重複した情報や信号以外の成分を減らしました。その結果、データの情報量（エントロピー）を低減でき、後段の可逆圧縮の効率が大きく向上しました。
FPGAで前処理されたデータは、ビームラインの計算機において可逆圧縮を施しました。その結果、平均約8,600分の1という高い圧縮率を達成し、実際の1週間の実験では約19PBの元データを約2.2TBまで削減しました。圧縮後のデータはSPring-8内のデータセンターへ自動転送され、取得から2〜3分以内に保存されます。この可逆圧縮処理により、転送に必要なネットワーク帯域も大幅に削減されました。
データセンターでは、高性能計算機（HPC）を用いた並列解析を行います。SPring-8データセンターではHPC利用基盤としてOpen OnDemand^[6]が導入されており、本研究ではその既存基盤の上に、QEGS実験専用の解析アプリケーション群を構築しました。これにより、専門的なコマンド操作を必要としないウェブブラウザベースの解析環境を実現しました。
本研究の成果は、高効率な圧縮技術の実現にとどまらず、検出器によるデータ生成から、FPGAによる前処理、可逆圧縮、転送、高性能計算機による並列解析、さらにウェブブラウザから利用可能な解析環境までを一体化した統合データ処理基盤（図1）を、実際のユーザー実験で運用し、その有効性を実証した点にあります。

今後の期待
本研究で構築したデータ処理基盤は、放射光科学における「測定後に解析する」運用から「測定しながら解析する」運用への転換を可能にしました。これにより、実験中に結果を確認しながら測定条件を最適化できるようになり、研究効率の向上が期待されます。
SPring-8-IIではEB級データが見込まれており、本研究の統合データ処理基盤はその中核基盤技術となります。
さらに共同研究グループは、1日当たり約30PBのデータ生成が見込まれる半導体向けX線タイコグラフィー顕微鏡^[7]への応用にも取り組んでいます。タイコグラフィーでは、ナノメートルレベル（nm、1nmは10億分の1メートル）の分解能で3次元再構成を行うため、QEGSを上回る大容量データが発生します。本研究の即時圧縮・転送・並列解析の技術は、こうした次世代X線計測の実現に不可欠な基盤となります。
本研究のデータ処理技術は、放射光施設やX線自由電子レーザー（XFEL）^[8]に特有のものではなく、高速かつ高解像度な検出器から大量の画像データが出力される計測装置に広く応用できる可能性があります。大容量データの処理は多くの先端計測分野に共通する課題であり、本技術はその解決を支える基盤技術として期待されます。

共同研究グループ
理化学研究所　放射光科学研究センター
　制御情報・データ創出基盤グループ
　　グループディレクター　初井宇記　（ハツイ・タカキ）
　　特別研究員（研究当時）　平木俊幸　（ヒラキ・トシユキ）
　エンジニアリング部門　エンジニアリングチーム
　　テクニカルスタッフⅠ　尾﨑恭介　（オザキ・キョウスケ）
　　テクニカルスタッフⅠ　本城嘉章　（ホンジョウ・ヨシアキ）

高輝度光科学研究センター
　研究DX推進室
　　主幹研究員　西野玄記　（ニシノ・ハルキ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　　室長　城地保昌　（ジョウチ・ヤスマサ）
　　（理研　放射光科学研究センター　ビームライン制御解析チーム
　　チームリーダー）
　加速器部門　加速器制御グループ　機器制御チーム
　　チームリーダー　山鹿光裕　（ヤマガ・ミツヒロ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　分光・イメージング推進室　精密分光チーム
　　特任研究員　依田芳卓　（ヨダ・ヨシタカ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　　研究員　永澤延元　（ナガサワ・ノブモト）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）

東北大学　大学院理学研究科　物理学専攻
　准教授　齋藤真器名（サイトウ・マキナ）
　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員（研究当時））
　大学院生（研究当時） 小林　正　（コバヤシ・マサシ）
（理研　放射光科学研究センター　研修生（研究当時））

研究支援
本研究は、理化学研究所放射光科学研究センターSACLA/SPring-8基盤開発プログラム2022-2023によるサポートを受けて実施され、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（B）「ガラスの力学特性を支配するJohari-Goldstein緩和過程の普遍的機構の解明（研究代表者：齋藤真器名、JP24K00592）」、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「階層的時空構造と動的不均一性から紡ぐナノ力学機構の理解と制御（研究代表者：山本潤、JPMJCR2095）」の助成を受けて行われました。
本研究で用いたFPGAデータ処理基板は、理化学研究所と東京エレクトロン デバイス株式会社が共同で開発しました。
また、本研究におけるデータ処理基盤の構築は、グローリーテクニカルソリューションズ株式会社および日東コンピューターサービス株式会社の協力を得て実施しました。

【補足解説】