先週、Nvidiaは開発者会議「Nvidia GTC 2021」で、地球温暖化対策に寄与する新技術を発表した。これは、地球をメタバースで構築し、ここで気候モデルをシミュレーションし、温暖化対策に役立てるという構想である。気候モデルは巨大で、新たにスパコンを開発して、これを実行する。しかし、高精度なモデルを実行するにはスパコンでも性能が十分でなく、AIで物理法則を解く技法を導入した。スパコンとAIを組み合わせ、数十年先の地球の気候を正確に予想する。

地球温暖化問題

イギリス・グラスゴーで開催されたCOP26は、世界の平均気温の上昇を、産業革命前に比べ、1.5度に抑える努力をすることを再確認した。同時に、世界の平均気温は1.1度上昇しており、その影響が各地で広がっていることに警鐘を鳴らした。今年は、記録的な熱波や豪雨など、気象災害が世界各地で発生している。カリフォルニア州は記録的な干ばつで、大規模な森林火災が続き、気候変動がこれらの災害を加速している(下の写真)。

メタバースでシミュレーション

GTC 2021で、CEOであるJensen Huangが、NvidiaのプロセッサとAIを気候モデルに適用し、地球温暖化対策に寄与する手法を発表した。これはOmniverseで地球のデジタルツインを生成し、このモデルで地球の気候変動を解析する手法となる。具体的には、地球の気候モデル(Climate Model)を生成し、これをスパコンとAIでシミュレーションするアプローチを取る(下の写真、イメージ)。Nvidiaはメタバースの開発環境をOmniverseとして提供している。

気候モデルを生成

地球規模の気候モデルを生成することで、世界各地の気候を数十年先のレンジで予測する。将来の気候を正確に予想することで、危険性を正確に可視化でき、温暖化対策やインフラ整備のための基礎データとなる。天気予報は短期間の大気の物理現象を予測するが、気候モデルは数十年単位の気候シミュレーションで、物理学、化学、生物学などが関与し、巨大なモデルとなる。

豪雨や干ばつを予測

気候モデルを高精度で解析するには、地球規模の水の循環をシミュレーションする必要がある。これは「Stratocumulus Resolving」と呼ばれ、海水や地表面の水が、大気や雲を通して移動するモデルとなる(下の写真)。この循環が変わると、豪雨や干ばつによる被害が甚大となり、社会生活に大きな影響を及ぼす。

専用スパコンと最新のAI技法

しかし、このモデルをシミュレーションするためには、地表面をメートル単位の精度で計算する必要がある。現行の気候モデルのメッシュはキロメートルで、これをメートルにすると、演算量は1000億倍となり、世界最速のスパコンを使っても処理できない。このため、Nvidiaは気候モデル専用のスパコン「Earth-2」を開発するとともに、物理モデルをAIで解く技術の研究を始めた。下の写真は気候モデルの計算量の増加を示している。水循環モデル(Stratocumulus Resolving)をスパコンだけで計算するには、2060年まで待つ必要がある。

物理法則をAIで解く

このため、AIで物理法則を解く技法の研究が進んでいる。気候モデルのシミュレーションとは、物理法則に沿った挙動を可視化することを意味する。自然界の動きは物理法則に従い、古典力学、流体力学、電磁気学、量子力学などがその代表となる。気候モデルでは流体力学が重要な役割を果たし、流体の動きはナビエ–ストークス方程式(Navier-Stokes Equations)などで記述される。ニューラルネットワークでこの方程式を解く技法の開発が進んでいる。(下の写真、AIでハリケーンなどの異常気象を予想したケース。)

物理法則をAIで解くフレームワーク

Nvidiaは物理法則をニューラルネットワークで解くためのフレームワーク「Modulus」を提供している(下の写真)。Modulusを気候モデルに適用することで、AIでナビエ–ストークス方程式の解法を求めることができる。従来方式に比べ処理時間が大幅に短縮され、AIの新しい技法として注目されている。このプロセスを専用のスパコン「Earth-2」で実行することで、高精度な気候モデルのシミュレーションが実現する。

気候変動に備える

気候モデルのシミュレーションで、数十年先の気候を正確に予測する。世界の主要都市は、数十年先に起こる気候条件に応じて、インフラ整備を進める。また、温暖化防止対策を策定する際に、どの方式が一番有効であるかを検証できる。地球のデジタルツインは、計測されるデータでアップデートされ、異常気象を高精度で予測し、地球温暖化対策の重要なツールとなる。

今週、Nvidiaは開発者会議「Nvidia GTC 2021」で、メタバースの最新技術を公表した。Nvidiaはメタバースの開発環境を「Omniverse」という名称で製品化しており、企業はこのプラットフォームで３D仮想空間を生成し、ソリューションを構築する。基調講演で、人間のデジタルツインであるアバターの新技術が公開された。高度な言語モデルを組み込んだAIアバターが人間と会話するデモが実演された。(下の写真、CEOであるJensen Huangのフィギュア「Toy Jensen」が身振りを交えて人間と対話する。)

Omniverseとは

Nvidiaは、３D仮想空間を開発するプラットフォームを「Omniverse」として提供している。企業は、Omniverseで３D仮想空間を生成し、ここで様々なシミュレーションを実行し、製造プロセスを最適化する。Omniverseは、既に多くの企業で導入されている。自動車メーカーBMWは、Omniverseで製造工場のデジタルツインを生成し、生産工程を最適化している。(下の写真、BMWは製造施設の高精度なコピーを３D仮想空間に生成し、ここで生産工程をシミュレーションし、効率などを検証した。)

人間のデジタルツイン

開発者会議では、Omniverseで人間のデジタルツインを生成する技法と応用事例が紹介された。この技法は「Omniverse Avatar」と呼ばれ、高度なAIを統合したデジタルヒューマンとなる。AIアバターは視覚を備えており、相手を見ながら人間と会話する。また、相手の話し言葉を理解し、AIアシスタントとして人間に助言する。AIアバターは３Dフィギュアとして生成され、レイトレーシング(Ray Tracing)を使って作画され、本物の人形が動いているように見える。

顧客サービスアバター：Project Tokkio

AIアバターが人間に代わり顧客に応対する。このプロジェクトは「Project Tokkio」と呼ばれ、AIアバターは顧客をビジュアルに認識し、対話を通して顧客をサポートする。その一つが上述の「Toy Jensen」で、３Dフィギュア形状のAIアバターが、身振りや手ぶりを交えて、顧客と対話する。

また、AIアバターが、レストランのキオスクで店員に代わり、顧客の注文を取る。AIアバターが顧客と会話しながら、料理の内容を説明し、好みを聞き、最適なメニューを推奨する(下の写真)。AIアバターは高度な会話能力を備えているが、この背後では世界最大規模の言語モデル「Megatron 530B」が稼働している。

自動運転車のアシスタント：Drive Concierge

クルマが自動運転車となると、AIアバター「Drive Concierge」が運転のアシスタントとなる。AIアバターは、クルマのディスプレイに表示され、ドライバーとのインターフェイスとなる(下の写真)。AIアバターがドライバーとの対話を通して、目的地と到着時間を理解し、時間通りに到着するために、最適な運転モードを選択する。

ビデオ会議のアシスタント：Project Maxine

Nvidiaは、コラボレーション空間を生成するための開発環境「Project Maxine」を提供している。企業はこのプラットフォームを使って、遠隔勤務のためのビデオ会議空間(仮想オフィスなど)を構築する。開発者会議では、これを拡張した機能が紹介された。AIアバターをビデオ会議に組み込むもので、発言者の言葉をリアルタイムに翻訳する。(下の写真、英語で発言した内容がフランス語に翻訳される。フランス語で発声するだけでなく、口の動きもフランス語となる。) また、発言内容はテキストに変換して表示される。

AIアバターを支える技術

AIアバターであるOmniverse Avatarは、多種類のAI技法を組み合わせて生成される。主なAI技法は次の通り：

• Riva：対話型の言語モデル。音声認識機能で発言者の言葉を理解する。また、テキストを音声に変換する機能で、自然なボイスを生成する。
• Megatron 530B：大規模な自然言語モデル。人間のように、言葉を理解し、また、言葉を生成する機能を持つ。文章を完結する機能や、質問に答える機能がある。更に、文章を要約したり、他の言語に翻訳する機能がある。
• Merlin：深層学習に基づく推奨エンジン。
• Metropolis：コンピュータビジョンでビデオの解析など利用する。

メタバースの標準プラットフォーム

Nvidiaはメタバース開発のためのプラットフォーム「Omniverse」を提供しており、企業はこの環境で３D仮想空間を生成する。メタバース開発のために、多くのエンジニアやクリエーターが異なるツールを使ってアプリケーションを開発する。Omniverseは異なるツールを連携し、共同開発のプラットフォームとなる(下のグラフィックス)。いま、世界各国でメタバースの開発が進んでいるが、これらは独自手法で構築され、固有のメタバースが数多く生成されている。Nvidiaは、Omniverseをオープンなメタバース開発環境と位置付け、業界標準となるプラットフォームを目指している。