打破“量子霸權(quán)”！“神威·太湖之光”成全球第一臺每秒10億億次浮點運算能力超算

國家超級計算機應(yīng)用中心是坐落在厄巴納市尚佩恩縣(Urbana-Champaign )的伊利諾伊大學(xué)的一個研究中心。NCSA 作為美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)的一部分，成立于1985 年，以NCSA Mosaic(第一個圖形Web 瀏覽器)和NSCA Telnet (常用的遠程控制Web服務(wù)器的方法)而聞名。

國家超級計算應(yīng)用中心(National Center for Supercomputing Applications，NCSA)是美國國家科學(xué)基金會按照其超級計算機中心計劃最早設(shè)立的四個個中心之一(另外三個是圣地亞哥超級計算機中心、匹茲堡超級計算機中心和新近成立的德州高級計算機中心。)，它是伊利諾伊大學(xué)香檳(尚佩恩縣)分校的一部分。1983年該校的電腦系的一個由拉雷·斯馬爾領(lǐng)導(dǎo)的小組向國家科學(xué)基金會交遞了一份未經(jīng)批準的建議。1985年國家科學(xué)基金會宣布出錢設(shè)立國家超級電腦應(yīng)用中心。1986年1月該中心的首臺超級電腦啟用。一開始國家超級計算應(yīng)用中心的職工的辦公室分布在伊利諾伊大學(xué)香檳分校的各地，主要在貝克曼研究所的建筑中，后來才建造了一座新建筑，將所有部門集中到了這座新建筑中。這座新建筑位于校園的本部，而中心的超級電腦則依然放在該校高級計算中心的建筑中。國家超級計算應(yīng)用中心與其它大學(xué)、高等院校、政府機關(guān)、私有公司、社群和學(xué)校合作來發(fā)現(xiàn)能夠?qū)@些機構(gòu)有益的虛擬信息基礎(chǔ)設(shè)施。它獲得國家科學(xué)基金會、伊利諾伊州、伊利諾伊大學(xué)、工業(yè)界和其它聯(lián)邦機構(gòu)的資助。廣義地說國家超級計算應(yīng)用中心有提供虛擬信息資源、設(shè)置虛擬信息環(huán)境和改進電腦系統(tǒng)的任務(wù)。

未來科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以“算”出來!專家呼吁推廣超算應(yīng)用“高性能超級計算機，是世界發(fā)達國家爭搶的重要‘制高點’，對國家安全、經(jīng)濟和社會發(fā)展，具有舉足輕重的支持作用?！敝袊茖W(xué)院院士陳國良11月26日在無錫市舉行的2020智算未來用戶大會暨《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化云創(chuàng)新發(fā)展白皮書》發(fā)布會上說，未來重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)與重大創(chuàng)新，都可以通過計算手段得到快速地實現(xiàn)和解決。因此，加快發(fā)展超級計算，全面應(yīng)用超級計算，對于我國科學(xué)研究、推動科技創(chuàng)新和促進經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展意義重大。我國超算實現(xiàn)“超常發(fā)展”“超算領(lǐng)域的競爭，就是科技實力與綜合國力的競爭。”中國科學(xué)院計算技術(shù)計算研究所研究員張云泉說，我國從早初缺乏高性能計算機，到在高性能超級計算機研究取得重大突破，開發(fā)出曙光、天河、神威·太湖之光等超級計算機，再到先后建成天津、深圳、濟南、長沙、廣州、無錫等7個國家級超算中心，并快速走向多領(lǐng)域的應(yīng)用，這是舉國之力在超算研制、創(chuàng)新、應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)“超常發(fā)展”的重大創(chuàng)新。近10年來，面對發(fā)達國家超算的快速發(fā)展和對未來所帶來的挑戰(zhàn)，我國基于自主可控超算系統(tǒng)的軟件與應(yīng)用考慮，特別是為服務(wù)于國家特殊需要，服務(wù)于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重新布局超級計算機的研制工作。

其中，“神威·太湖之光”就是重點開展的一項重大科研任務(wù)。國家超級計算無錫中心主任楊廣文教授介紹，超算由大量的計算節(jié)點組成，每個計算節(jié)點由一些CPU組成，計算節(jié)點由高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接起來，當(dāng)年還有大規(guī)模存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和冷卻系統(tǒng)等。但是，我國幾代超算人承上啟下，憑借著“兩彈一星”科學(xué)精神，創(chuàng)造出了不起的“奇跡”。至今，從天河二號到“神威·太湖之光”國產(chǎn)超級計算機，共10次拿下世界第一 。

以GPU聞名的英偉達希望在超算領(lǐng)域再次擴大應(yīng)用領(lǐng)域。在2022國際超算會議(ISC)期間，英偉達公布多項超算領(lǐng)域進展，包括主要服務(wù)器廠商已采購英偉達CPU生產(chǎn)高性能服務(wù)器，以及基于其DPU產(chǎn)品強化量子計算能力等。“邊緣、高性能計算和AI、模擬仿真、數(shù)字孿生和量子計算是現(xiàn)代超算應(yīng)用的五大工作負載?！庇ミ_加速計算業(yè)務(wù)副總裁Ian Buck在ISC上發(fā)言稱，從應(yīng)用上看，已經(jīng)有大量用戶將高性能計算推向邊緣端或在使用測試量子計算系統(tǒng)。

戈登貝爾獎由美國計算機協(xié)會(ACM)設(shè)立于 1987 年，是國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎，每年在超算領(lǐng)域頂級盛會“全球超級計算大會(Supercomputing Conference，簡稱SC)”上進行發(fā)布與頒獎。

SC是超算領(lǐng)域的頂級會議，國際影響力巨大，由SC國際超算大會組委會主辦，每年舉辦一次，主要由展會和學(xué)術(shù)會議構(gòu)成。

戈登貝爾獎主要頒發(fā)給高性能應(yīng)用領(lǐng)域最杰出的成就，通常會由當(dāng)年 TOP500 排行名列前茅的計算機系統(tǒng)應(yīng)用獲得，例如美國「泰坦」超級電腦、日本「京」超級計算機上的應(yīng)用軟件都曾獲得此獎。成立近 30 年，該獎項一直由美國和日本的軟件獲得，直到 2016 年，中國研究團隊打破了這一壟斷。

今年的 SC21在美國密蘇里州圣路易斯舉行，來自中國的14人團隊基于新一代神威超級計算機的算力，憑借“超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬(SWQSIM)”一舉奪得冠軍!

他們是來自之江實驗室及國家超級計算無錫中心的劉勇、劉鑫、李芳、楊雨靈、宋佳偉、趙朋朋、王臻、彭達佳、陳華蓉，清華大學(xué)及國家超級計算無錫中心的付昊桓、陳德訓(xùn)，國家超級計算無錫中心的吳汶釗，上海量子科學(xué)研究中心的黃合良、郭楚。其中劉鑫、付昊桓、郭楚、陳德訓(xùn)為共同通信作者。

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SWQSIM如何打破“量子霸權(quán)”

今年我國共有三項超算應(yīng)用入圍戈登貝爾獎，除獲獎團隊?wèi)?yīng)用外，另外兩項應(yīng)用分別是“千萬核可擴展第一性原理拉曼光譜模擬”和“多架構(gòu)大規(guī)模并行保辛結(jié)構(gòu)電磁全動理學(xué)等離子體模擬”，這三項應(yīng)用都曾在此前舉行的2021全國高性能計算學(xué)術(shù)年會(HPC China 2021)上作報告。

今年的獲獎項目為——彌合“量子霸權(quán)”：使用新神威超級計算機實現(xiàn)隨機量子電路的實時模擬。在這項工作中，研究人員引入了一個系統(tǒng)的設(shè)計過程，涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統(tǒng)架構(gòu)。通過新一代神威超級計算機，研究團隊有效模擬了一個深度為10x10 (1+40+1)隨機量子電路。在模擬中，研究團隊使用4190萬核處理器實現(xiàn)了計算機1.2Eflops單精度或4.4Eflops混合精度性能。

在高性能計算領(lǐng)域，英偉達擅長的GPU通常作為特定應(yīng)用的加速計算，即“協(xié)處理器”，而主處理器(CPU)仍為英特爾、AMD兩大x86芯片廠商占有絕對份額。根據(jù)第59屆全球超算前500強榜單公布的統(tǒng)計，英特爾為榜單中77.6%的超級計算機提供處理器，AMD的份額為18.6%。但英偉達最新推出的數(shù)據(jù)中心CPU“Grace”，有望改變這一現(xiàn)狀，其基于Arm指令集開發(fā)，專為包括人工智能(AI)和高性能計算(HPC)應(yīng)用而構(gòu)建。

Grace一經(jīng)推出，立即引起市場關(guān)注，被視為英偉達發(fā)力Arm生態(tài)之舉。但英偉達頻頻降低調(diào)門，稱與x86芯片制造商合作關(guān)系仍維持不變。此前，黃仁勛表態(tài)稱，Grace將主要用于計算領(lǐng)域大型數(shù)據(jù)密集型細分市場：“在其他領(lǐng)域，例如云計算、企業(yè)級計算、邊緣計算、工作站、個人電腦，我們會繼續(xù)為x86平臺提供支持。Grace不會對現(xiàn)有CPU廠商帶來‘改變游戲規(guī)則’般的影響?！?

目前，英偉達正加速推動Grace CPU生態(tài)。Ian Buck提及，戴爾，技嘉、慧與、浪潮、聯(lián)想和超微等廠商，已經(jīng)計劃使用Grace CPU打造服務(wù)器。由慧與(HPE)制造、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)運營的Venado超級計算機，有望成為顯現(xiàn)英偉達實力的例子。英偉達稱，該新型超級計算機將提供10 exaflops的AI性能，主要研究材料科學(xué)和可再生能源等領(lǐng)域，通過英偉達的GPU、CPU和DPU，可將物理場計算應(yīng)用的速度提高30倍。

付昊桓，現(xiàn)任國家超級計算無錫中心副主任、清華大學(xué)地學(xué)系長聘教授?！?0后”的他，身上有個“超算青年”的標簽。這個標簽不簡單：中國超算應(yīng)用團隊迄今共4次(含國際合作1次)摘得有著“超算應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾獎”之稱的“戈登貝爾獎”，付昊桓3次深度參與其中。

去年11月，憑借打破谷歌所謂“量子霸權(quán)”的超算應(yīng)用，我國一支14人組成的團隊摘得2021年度“戈登貝爾獎”。1月18日，這一事件入選了由兩院院士評選的“2021年度國內(nèi)十大科技進展新聞”。

作為獲獎團隊代表，付昊桓于1月20日作客科學(xué)網(wǎng)直播間，在接受《中國科學(xué)報》獨家訪談過程中，分享了該團隊挑戰(zhàn)這一應(yīng)用背后的逸聞趣事。

付昊桓，現(xiàn)任國家超級計算無錫中心副主任、清華大學(xué)地學(xué)系長聘教授?！?0后”的他，身上有個“超算青年”的標簽。這個標簽不簡單：中國超算應(yīng)用團隊迄今共4次(含國際合作1次)摘得有著“超算應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾獎”之稱的“戈登貝爾獎”，付昊桓3次深度參與其中。

去年11月，憑借打破谷歌所謂“量子霸權(quán)”的超算應(yīng)用，我國一支14人組成的團隊摘得2021年度“戈登貝爾獎”。1月18日，這一事件入選了由兩院院士評選的“2021年度國內(nèi)十大科技進展新聞”。

作為獲獎團隊代表，付昊桓于1月20日作客科學(xué)網(wǎng)直播間，在接受《中國科學(xué)報》獨家訪談過程中，分享了該團隊挑戰(zhàn)這一應(yīng)用背后的逸聞趣事。

《中國科學(xué)報》：近幾年中國超算應(yīng)用在“戈登貝爾獎”這一“舞臺”大放異彩，你在幾次獲獎中也參與甚多。請先簡要介紹下，這是一個什么樣的獎項?

付昊桓：戈登貝爾獎最初是由戈登·貝爾1987年設(shè)立的一項鼓勵并行計算應(yīng)用的獎項，后來在2006年與國際計算機協(xié)會(ACM)合作，由后者負責(zé)獎項的管理與運維。

戈登貝爾獎強調(diào)的是，如何使用頂尖的超級計算機解決一個科學(xué)、工程或大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用難題。這反映了超算的典型特點，逐漸成為高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域的標桿。

要沖擊戈登貝爾獎，有兩個重要的方面：是否調(diào)動了頂尖超級計算機全系統(tǒng)之力，是否解決了科學(xué)或工程等應(yīng)用上的一個難題并有所創(chuàng)新?？梢哉f，近年來我國超算的發(fā)展為我們提供了沖擊這一獎項的必要條件。