気候科学・地球モデリングPC｜CESM・ECMWF・AI気候モデル

気候科学・地球モデリング PC の構築と運用基盤の基礎知識

2026 年 4 月現在、気候変動対策や自然災害予測の精度向上は人類共通の課題として極めて重要視されています。特に IPCC（気候変動に関する政府間パネル）が公表する最新報告書の信頼性を支えるのは、高解像度かつ長期間にわたる地球シミュレーションです。従来のスーパーコンピュータに依存してきた研究環境において、学術的な検証やアルゴリズムの開発段階では、高性能ワークステーションの構築が不可欠となっています。本記事では、NCAR CESM 2.1 や ECMWF IFS CY48r1 に代表される物理ベースの気候モデルから、Google GraphCast や Microsoft Aurora のような AI 駆動の気候モデルに至るまで、多様なシミュレーションを円滑に実行するための自作 PC の構成案を詳細に解説します。

一般的なゲーマー向け PC とは異なり、気候科学・地球モデリング用のワークステーションは、計算性能だけでなくデータの入出力速度やメモリ容量の信頼性が最優先されます。例えば、大気と海洋の相互作用を数値的に解く場合、数百万から数十億の格子点における偏微分方程式を同時に解く必要があり、並列処理能力が不足するとシミュレーション完了までに数ヶ月を要するリスクがあります。また、AI モデルの利用においては、推論や学習プロセスにおいて GPU の VRAM 容量と帯域幅が決定的な役割を果たします。本稿では AMD EPYC 9654 や NVIDIA H200 といった最新ハードウェアを中心に、研究現場で即戦力となる構成を提案し、各部品の選定理由を具体的な数値とともに示します。

さらに、この分野における「自作」の定義は、単なる部品の組み合わせではなく、OS のチューニングや並列計算ライブラリの最適化を含みます。Linux 環境でのカーネルパラメータ設定や、NUMA（Non-Uniform Memory Access）アーキテクチャに対応したスレッドバインド設定など、運用レベルまでの知見を共有します。博士課程の学生から研究機関の若手研究者までが参照できるよう、予算配分の現実的な目安や、CMIP6 データのような大規模データセットの保存・管理方法についても言及します。これにより、読者は単なる PC の購入ではなく、持続可能な研究インフラとしての構築を実現できるようになります。

主要な気候モデルソフトウェアの比較と選定基準

気候科学における計算リソースの要求は、使用するモデルソフトウェアの特性によって大きく異なります。まず物理ベースの地球システムモデルとして、NCAR（米国国立大気研究センター）が開発する CESM（Community Earth System Model）2.1 が挙げられます。これは大気、海洋、陸面、海氷、川流、炭素循環をそれぞれコンポーネントとして結合しており、全地球規模の長期シミュレーションに適しています。CESM 2.1 を実行する場合、MPI（Message Passing Interface）による並列計算が必須であり、CPU コア数が 96 以上ある環境でないと効率的な動作は期待できません。また、炭素循環シミュレーションを行う場合は、化学反応の計算負荷が増加するため、メモリ帯域幅が重要です。

欧州中期予報センター（ECMWF）が開発する IFS（Integrated Forecasting System）CY48r1 も、数値天気予報および気候予測の世界標準として広く利用されています。IFS は高解像度大気モデルに優れており、地域的な気象現象の再現性が高いのが特徴です。日本の国立研究開発法人 気象研究所が開発する NICAM（Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model）も、等角四面体格子を用いることで極点特異性の問題を解消し、グローバルかつ高解像度なシミュレーションを可能にしています。これらのモデルはそれぞれ物理パラメータ化の手法が異なるため、同じハードウェア上でも実行効率やメモリ使用量が変動します。したがって、自身の研究目的に応じて最適なモデルを選択することが、PC 構成の第一歩となります。

また、米国立海洋大気庁（NOAA）傘下の GFDL が開発する FMS（Flexible Modeling System）や、英国メトオフィスが開発する UM（Unified Model）も特定の分野で使われます。FMS は特に海洋モデルとの結合に強く、UM は欧州の気象予報において実績があります。比較検討を行う際は、単なる機能リストだけでなく、コミュニティサポートの有無とドキュメントの充実度も重要です。2026 年時点では、これらのソフトウェアはコンテナ技術（Singularity/Apptainer）を用いて環境を隔離しやすく管理できるようになっています。以下の表に代表的なモデルの特徴と計算リソース要件をまとめました。

各モデルには固有の MPI ライブラリやコンパイラ依存性があるため、PC 構築時には GCC や Intel OneAPI のバージョン管理にも注意が必要です。CESM のような大規模な実行では、MPI プロセス数が CPU コア数と一致させることが一般的ですが、ハイパースレッディングを無効化して物理コアのみを使用する設定が推奨される場合もあります。特に 2TB のメモリを搭載する場合、NUMA アーキテクチャを意識したプロセス配置を行わないと、メモリアクセスの遅延が発生し性能が低下します。これらのソフトウェア要件を満たすためには、PC の設計段階からモデルごとの負荷特性を考慮することが不可欠です。

AI 駆動気候モデルの台頭と実装環境

2026 年現在、従来の物理ベース計算に加えて、AI を活用した気候・天候モデルの実用化が急速に進んでいます。Google が開発した GraphCast は、機械学習モデルを用いて数値予報を高速に行うものであり、物理モデル並みの精度で推論時間を大幅に短縮しました。Microsoft の Aurora（注：ここでは Microsoft が開発した AI 気候モデルの一例として扱う）や NVIDIA FourCastNet も同様に、深層学習を用いたデータ同化技術を提供しています。これらのモデルは、従来の偏微分方程式を解く代わりに、過去の大規模データセットから学習してパターンを出力するため、計算コストの重心が「演算」から「推論」へとシフトしています。

AI モデルを実行するには、CPU の性能よりも GPU の VRAM 容量と帯域幅が決定的な要素となります。例えば NVIDIA H200 は 141GB の高帯域メモリを搭載しており、8 枚構成で合計 1TB 以上の VRAM を確保可能です。これにより、大規模な気象データ（CMIP6 データ等）を一度にメモリにロードして推論処理を行うことが可能になります。Huawei が開発した Pangu-Weather や Anemoi NMI（Open Climate 盟約によるオープンソースモデル群）も同様に、Transformer アーキテクチャやグラフニューラルネットワークを採用しており、並列計算の効率化を図っています。AI モデルを使用する際は、CUDA コア数だけでなく Tensor Core の性能や FP16/BF16 演算能力に注目する必要があります。

物理モデルと AI モデルをハイブリッドで運用するケースも増えています。例えば、AI で初期値を生成し、物理モデルで微修正を行う手法です。このような構成では、CPU と GPU の間のデータ転送速度がボトルネックとなります。PCIe Gen5 以上のバス帯域や NVLink を介した GPU 間通信を活用することで、100GbE Infiniband NDR ネットワークでの並列処理における遅延を最小化できます。また、AI モデルの学習プロセスではバックプロパゲーション計算が頻繁に発生するため、GPU のメモリバンド幅とキャッシュ効率が重要視されます。以下の表に代表的な AI 気候モデルの性能比較を示します。

AI モデルの導入には、既存の物理モデルとの精度比較が必須です。AI は学習データの範囲外では外挿能力に課題を抱えるため、極端な気象現象や未知のパターンに対するロバスト性を検証する環境が必要です。また、GPU のファームウェア管理や CUDA ライブラリのバージョンアップも頻繁に行われるため、OS 上のドライバ管理を自動化しておくことが推奨されます。2026 年時点では、AI モデルの推論精度は物理モデルを凌駕するケースも増えており、研究手法として組み込む際のハードルが下がっていますが、計算資源の配分は慎重に行う必要があります。

CPU・メモリ構成：AMD EPYC 9654 の性能と拡張性

気候シミュレーションの基盤となる CPU は、2026 年時点で AMD EPYC 9654 が主流となっています。このプロセッサは Zen 5 アーキテクチャを採用し、最大 96 コア・192 スレッドを実現しています。気象モデルでは MPI プロセス数が膨大になるため、物理コア数の多さは並列処理の粒度を細かく分割して計算効率を高めるために不可欠です。特に CESM や NICAM のような地球システムモデルは、各コンポーネント（大気・海洋など）間でデータ同期が発生するため、メモリ帯域幅が計算速度に直結します。EPYC 9654 は 12 チャンネルの DDR5 メモリをサポートしており、理論値で 3TB/s を超えるメモリ帯域を提供します。

メモリの容量と信頼性も極めて重要です。気候シミュレーションは数ヶ月から数年にわたる連続実行が一般的であり、ビートフラット（ビットエラー）が発生すると計算結果が破損するリスクがあります。そのため、ECC（Error Correction Code）メモリは必須要件です。推奨構成では 2TB の DDR5 ECC DIMM を搭載します。これは各モジュール 32GB または 64GB の RDIMM を複数枚使用して構成されます。DDR5 の動作周波数は通常 4800MHz〜6400MT/s 程度ですが、安定性を優先しメモリコントローラのオーバークロックを無効化した設定が推奨されます。また、メモリクラスタリングにおいて、NUMA ノードごとのバランスを取るよう BIOS 設定を行うことで、メモリアクセスの遅延を最小化できます。

CPU サポートマザーボードの選定も重要です。EPYC 9004 シリーズに対応する AMD SP5 ソケットプラットフォームを使用します。このプラットフォームは PCIe Gen6 スロットをサポートしており、GPU やストレージコントローラーへの拡張性を確保しています。電力供給においては、サーバーグレードの ATX電源規格ではなく、1+8 ピン EPS コネクタを複数持つサーバー用電源ユニットが推奨されます。また、EPYC 9654 の TDP は約 350W〜400W となるため、冷却システムは空冷ファンでは不十分で、液冷クーリングまたは高性能空冷ヒートシンクと強力な排気ファンの併用が必要です。以下の表に CPU とメモリ構成の具体的なスペックを示します。

CPU の選定においては、Intel Xeon や AMD EPYC の世代ごとの IPC（Instructions Per Cycle）性能の向上も考慮します。2026 年時点では Zen 5 が安定しており、前世代からの演算効率の改善が確認されています。また、メモリアクセスパターンにおいて、気象モデルは特定のメモリ領域へのランダムアクセスが多い傾向があるため、CPU キャッシュのサイズ（L3 キャッシュ）も重要です。EPYC 9654 は巨大な L3 キャッシュを備えており、このキャミルヒット率を高めることが計算速度向上に寄与します。さらに、仮想化技術（SR-IOV など）を利用する場合でも、CPU の拡張性を損なわない設計が求められます。

GPU アクセラレーションの重要性と H200 の選定

気候科学における AI モデルや一部の物理モデル（GPU アキュラレーション版）の実行には、高性能 GPU が不可欠です。2026 年時点の標準として NVIDIA H200 を推奨します。H200 は H100 に続き、メモリ帯域幅と容量が強化されたデータセンター向けアクセラレーターです。特に VRAM（Video RAM）は 141GB の HBM3e メモリを搭載しており、大規模な気象データを一度に保持して処理することが可能です。8 枚の H200 を構成することで、合計約 1TB の GPU メモリを確保でき、これにより大規模な推論タスクやモデル学習が分散処理可能になります。

GPU の選定において重要なのは、単なるクロック周波数ではなく、NVLink による相互接続帯域幅です。H200 は NVLink Gen5 を採用しており、1 モジュールあたり 4.8TB/s の双方向通信速度を誇ります。これにより、複数の GPU が協調して一つの計算タスクを処理する際のデータ転送遅延が大幅に削減されます。気象モデルでは領域分割された計算領域間で境界値の交換が発生するため、GPU 間の通信効率が全体の計算時間を左右します。また、FP64（倍精度浮動小数点）性能も物理シミュレーションには重要ですが、H200 は AI 推論に特化した TF32/BF16/FP8 演算能力が突出しており、両方の用途に対応しています。

冷却と電力供給の設計も GPU の信頼性に直結します。H200 は発熱が激しいため、サーバーラック内の気流設計や水冷クーリングシステムの導入が必要となる場合があります。消費電力は単体で 700W 前後に達するため、PC ケース内での 8 枚搭載は一般的なデスクトップ構成では不可能です。本稿の推奨構成では、GPU 用サーバーブレードまたはラックマウント型ワークステーションを使用することを前提としています。PCIe スロットの配置においては、GPU の熱的干渉を避けるため、スロット間の物理的な距離を十分に確保したマザーボードやラックシステムが必要です。以下の表に GPU 構成と性能に関する詳細をまとめます。

GPU のドライバー管理については、CUDA ライブラリのバージョンを OS ごとに統一し、コンテナ環境内で利用する際もホストドライバーとの互換性を確認します。2026 年時点では CUDA 12.xシリーズが標準となっており、PyTorch や TensorFlow などのフレームワークとも完全に連携しています。また、GPU の温度監視は常時行い、熱暴走によるスロットリングを防ぐためのソフトウェア制御（NVIDIA DCGM）の導入も推奨されます。

ストレージ設計：高速 I/O と大規模データ管理

気候科学では、シミュレーション結果として生成されるデータ量が膨大になります。CMIP6 データセットは単一ファイルで数十 GB に達し、長期シミュレーションでは数 PB の蓄積が必要になることもあります。そのため、ストレージシステムは単なる HDD ではなく、高速な SSD と並列ファイルシステムの組み合わせが必須です。推奨構成として、OS ドライブには NVMe SSD Gen5 を使用し、データ保存用には RAID 構成または Ceph/GlusterFS などの分散ファイルシステムを構築します。

特に重要なのは I/O スループットです。気象モデルの実行中は、多数のプロセスが同時にディスクに読み書きを行います。SATA SSD ではこの負荷に耐えきれず、ボトルネックとなります。NVMe SSD を RAID0 または RAID5 構成で並列接続し、シーク時間を最小化します。また、データアクセスの頻度を考慮して、ホットデータを高速 SSD キャッシュ層、コールドデータを大容量 HDD 層に配置する階層型ストレージ設計が有効です。2TB の RAM を搭載した場合でも、スワップ領域として SSD が確保されていると、メモリ不足時の性能低下を防げます。

データバックアップと冗長性も研究継続の要です。計算結果が破損すると数日の努力が無駄になるため、RAID 6 または RAID 10 の構成でディスク障害に耐えられるようにします。また、外部とのデータ共有を行う際、FTP や HTTP プロトコルではなく、高速な転送プロトコル（如 SCP, rsync）や専用ライブラリ（如 GridFTP）を用いて通信効率を向上させます。以下の表にストレージ構成の推奨スペックを示します。

ストレージの物理配置においても、発熱と振動への配慮が必要です。HDD は回転部を持つため、PC ケース内の空気の乱れに敏感です。独立したドライブベイやラックマウントユニットを使用し、ケースファンによる冷却風を直接当てない設計が望ましいです。また、RAID コントローラーのキャッシュバッテリは、突発的な電源断時にデータ整合性を保つために必須です。

ネットワーク構成：Infiniband NDR の役割と設定

大規模並列計算においては、CPU と GPU、あるいは複数のノード間の通信速度がボトルネックとなることがあります。特に MPI を用いた計算では、数百から数千のノード間でのメッセージ送受信が発生します。本稿で推奨する 100GbE Infiniband NDR（NDR = Next Data Rate）ネットワークは、従来のイーサネットよりも低遅延かつ高帯域です。2026 年時点では、InfiniBand NDR はデータセンターの標準規格の一つとなっており、latency が 1μs 未満となる高速通信を可能にします。

100GbE の速度は、大規模な気象データをノード間で転送する際に重要です。例えば、ある計算領域の結果を隣接する領域に渡す際、ネットワーク遅延が累積すると全体の計算時間が延びます。Infiniband は RDMA（Remote Direct Memory Access）をサポートしており、CPU を介さないでメモリ間データ転送が可能になります。これにより、通信オーバーヘッドを削減し、計算資源の 95% 以上を実際の演算に充てることが可能となります。また、NDR は双方向通信にも強く、GPU 間の NVLink 同様の高速相互接続を実現します。

ネットワークカード（NIC）の選定も重要です。Mellanox ConnectX-7 シリーズや同等の InfiniBand ホストアダプターを使用し、OS ドライバーを最適化します。また、スイッチングハブの構成においては、非ブロッキング構成（無欠損ネットワーク）を採用し、パケット損失による再送遅延を防ぎます。設定においては、MTU（Maximum Transmission Unit）サイズを 9000 バイトに設定する Jumbo Frames の有効化も推奨されます。これにより、パケット数が減り、CPU の処理負荷が軽減されます。以下の表にネットワーク構成の比較を示します。

ネットワークケーブルは、Cat8 または MPO/MTP コネクタを持つマルチモードファイバを使用します。長距離通信にはシングルモードファイバが適しており、ラック間接続では特に注意が必要です。また、スイッチのファームウェア更新や QoS（Quality of Service）設定を行い、データ転送の優先度を適切に管理することも重要です。

解析・可視化ツールの環境構築

シミュレーション実行後のデータ解析には、専門的なソフトウェアが使用されます。NCL（NCAR Command Language）は長年使われてきましたが、現在は Python ベースのモダンなエコシステムに移行しつつあります。xarray は NetCDF データを扱いやすくするためのライブラリで、気象データ処理の標準となっています。MetPy や cartopy を組み合わせることで、緯度経度の地図投影やメトリック計算が可能になります。また、Iris（Python による気候データ解析ツール）も大規模データの可視化に広く利用されています。

可視化においては、Panoply が GUI 環境で迅速なプロット作成を支援します。Ferret も米国 NOAA の標準として長年愛用されており、複雑なデータ変換や統計処理に適しています。2026 年時点では、これらのツールは Docker コンテナ内で動作させやすく、互換性の高い環境を提供しています。Python の依存関係管理には conda または pip を使用しますが、科学計算ライブラリ（NumPy, SciPy）のバージョンが揃っていることが重要です。また、大規模データの可視化時には、GPU アキセラレーションを利用して描画速度を向上させる設定も可能です。

環境構築においては、モジュールシステム（Environment Modules）の使用が推奨されます。これにより、異なる研究者間でソフトウェアバージョンの不一致によるエラーを防げます。例えば、「module load python/3.10」といったコマンドで環境を一括切り替えできます。また、可視化データを出力する際、NetCDF4-HDF5 形式を使用し、圧縮オプション（Zlib）を適切に設定することで、ディスク容量を節約しつつデータ処理速度を維持します。

研究機関との連携とデータアクセスの仕組み

気候科学の研究は単独で行うものではなく、世界中の研究機関とのデータ共有や比較が不可欠です。地球シミュレータ（JAMSTEC）、アメリカ大気研究センター（NCAR）、欧州中期予報センター（ECMWF）などからの公開データセットを利用します。例えば、CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）のデータは、これら機関が提供するアーカイブから取得可能です。これらのデータは数 PB 規模に達する可能性があるため、ダウンロード時の帯域確保と保存場所の計画が必要です。

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）報告書の執筆には、過去のシミュレーション結果の分析が不可欠です。Nature Climate Change や Science Advances などの学術ジャーナルでの発表を目指す場合、データの再現性と統計的有意性を示すための検証環境が求められます。研究機関との連携においては、API を通じたデータ取得やクラウド上の共有ストレージの利用も一般的です。

博士課程の学生が個人でこの PC を構築する場合、予算面での制約があります。高性能な HPC クラスターへのアクセス権を大学から得られない場合でも、このワークステーションであれば一定の研究成果を出せます。ただし、データセキュリティや個人情報保護に関するポリシー（特に衛星データ含む場合）に従う必要があります。

コストと維持管理の現実的な目安

本格的な気候科学 PC の構築には高額な投資が必要です。AMD EPYC 9654 プロセッサ、NVIDIA H200 GPU 8 枚、2TB RAM を含めた構成では、ハードウェア単体で数百万円単位になるのが現実です。博士課程の学生が 800-1200 万円の研究予算を得るケースもありますが、PC 自作においては部品の調達がボトルネックになります。特に H200 はデータセンター向けのため、小売市場での入手性が低く、代理店を通じた購入が必要となります。

維持管理コストも考慮すべき点です。電力消費は総計 5kW〜7kW に達し、冷却システムを稼働させるための空調費がかかります。夏季には冷却負荷が増大するため、設備投資の継続的な見直しが必要です。また、ハードウェアの故障リスクも無視できません。ECC メモリや RAID コントローラーは信頼性を高めますが、完全な耐障害性は保証されません。定期点検とバックアップ戦略の実施が重要です。

以下に概算コストの内訳を示します（2026 年 4 月時点推定）。

この費用は研究予算として確保する必要があります。個人で購入する場合、法人名義での購入や助成金の申請を検討することが現実的な解決策となります。また、クラウドコンピューティングのリソース活用も検討し、オンプレミスとクラウドをハイブリッドで運用することでコスト効率を上げます。

まとめ：気候科学・地球モデリング PC の要点

気候科学・地球モデリング用 PC の構築は、単純なハードウェアの組み合わせではなく、研究目的に合わせたシステム全体の最適化です。以下に記事のポイントを確認します。

• CPU とメモリ: AMD EPYC 9654（96 コア）と DDR5 ECC メモリ 2TB を採用し、NUMA アーキテクチャを考慮したスレッド配置が必須。
• GPU アクセラレーション: NVIDIA H200（141GB VRAM）8 枚構成で AI モデル推論や物理モデルの GPU 化に対応。NVLink による高速通信が重要。
• ストレージ設計: NVMe SSD と並列ファイルシステム（Lustre/GPFS）を組み合わせた階層型構造により、大規模データの I/O を最適化。
• ネットワーク構成: Infiniband NDR（100GbE/200Gbps）の採用で MPI 通信遅延を最小化し、計算効率を最大化。
• ソフトウェア環境: Python (xarray, MetPy), NCL, Panoply などをコンテナ管理し、バージョン互換性を確保。
• データ連携: CMIP6 データや IPCC 報告書に基づく検証が可能よう、大規模データの保存と転送経路を確立。

本構成は 2026 年時点の最新技術に基づいており、将来的な研究需要にも対応可能です。ただし、維持管理コストと電力消費には十分な注意が必要です。