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| 本文作者： 我在思考中 | 2021-11-19 18:11 |
作者 | 杏花、莓酊
戈登貝爾獎(jiǎng)由美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）設(shè)立于 1987 年，是國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)，每年在超算領(lǐng)域頂級(jí)盛會(huì)“全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)（Supercomputing Conference，簡(jiǎn)稱(chēng)SC）”上進(jìn)行發(fā)布與頒獎(jiǎng)。
SC是超算領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議，國(guó)際影響力巨大，由SC國(guó)際超算大會(huì)組委會(huì)主辦，每年舉辦一次，主要由展會(huì)和學(xué)術(shù)會(huì)議構(gòu)成。
戈登貝爾獎(jiǎng)主要頒發(fā)給高性能應(yīng)用領(lǐng)域最杰出的成就，通常會(huì)由當(dāng)年 TOP500 排行名列前茅的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用獲得，例如美國(guó)「泰坦」超級(jí)電腦、日本「京」超級(jí)計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件都曾獲得此獎(jiǎng)。成立近 30 年，該獎(jiǎng)項(xiàng)一直由美國(guó)和日本的軟件獲得，直到 2016 年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)打破了這一壟斷。
今年的 SC21在美國(guó)密蘇里州圣路易斯舉行，來(lái)自中國(guó)的14人團(tuán)隊(duì)基于新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力，憑借“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬（SWQSIM）”一舉奪得冠軍！
他們是來(lái)自之江實(shí)驗(yàn)室及國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心的劉勇、劉鑫、李芳、楊雨靈、宋佳偉、趙朋朋、王臻、彭達(dá)佳、陳華蓉，清華大學(xué)及國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心的付昊桓、陳德訓(xùn)，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)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。
今年我國(guó)共有三項(xiàng)超算應(yīng)用入圍戈登貝爾獎(jiǎng)，除獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用外，另外兩項(xiàng)應(yīng)用分別是“千萬(wàn)核可擴(kuò)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(dòng)理學(xué)等離子體模擬”，這三項(xiàng)應(yīng)用都曾在此前舉行的2021全國(guó)高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會(huì)（HPC China 2021）上作報(bào)告。
今年的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目為——彌合“量子霸權(quán)”：使用新神威超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)量子電路的實(shí)時(shí)模擬。在這項(xiàng)工作中，研究人員引入了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)有效模擬了一個(gè)深度為10x10 (1+40+1)隨機(jī)量子電路。在模擬中，研究團(tuán)隊(duì)使用4190萬(wàn)核處理器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)1.2Eflops單精度或4.4Eflops混合精度性能。
據(jù)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉鑫在HPC China 2021的介紹，與“懸鈴木”200秒完成百萬(wàn)0.2%保真度采樣任務(wù)相比，“頂點(diǎn)”需要一萬(wàn)年完成同等復(fù)雜度的模擬，SWQSIM則可在304秒內(nèi)得到百萬(wàn)更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無(wú)關(guān)聯(lián)樣本，打破其所宣稱(chēng)的“量子霸權(quán)”。
圖注：團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉鑫在HPC China 2021作報(bào)告
何為“量子霸權(quán)”？“量子霸權(quán)”是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)，與國(guó)際政治無(wú)關(guān)。它指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，這個(gè)詞由美國(guó)物理學(xué)家John Preskill在2012年提出。由于“霸權(quán)”這個(gè)詞讓許多人觀感不適，現(xiàn)在更經(jīng)常把它稱(chēng)為“量子優(yōu)越性”。
“量子霸權(quán)”一詞最先由谷歌炒起來(lái)。2019年10月24日，谷歌在《自然》上發(fā)表一篇文章，稱(chēng)其開(kāi)發(fā)出一款54量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子芯片“懸鈴木”?；谠撔酒?，谷歌對(duì)一個(gè)53比特、20深度的電路采樣一百萬(wàn)次只需200秒。而目前最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”要得到類(lèi)似的結(jié)果，則需要一萬(wàn)年?；谶@一突破，谷歌宣稱(chēng)其率先實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
可見(jiàn)，SC2021獲獎(jiǎng)應(yīng)用的重大意義不僅在于打破所謂的“量子霸權(quán)”，而是證明了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的種種潛在可能，即使道路有點(diǎn)曲折，但超算的前景是光明的。
“戈登貝爾獎(jiǎng)”設(shè)立于1987年，在2016年之前，美國(guó)、日本曾壟斷該獎(jiǎng)項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)近30年。2016年，中國(guó)在“戈登貝爾獎(jiǎng)”上破冰后，隨后又在2017年、2020年獲此殊榮。
2020年，由中美合作的研究小組摘得戈登貝爾獎(jiǎng)，他們使用HPC+AI+物理模型結(jié)合的方法，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，將具有第一性原理精度的分子動(dòng)力學(xué)模擬的極限提升至1億的驚人數(shù)量，同時(shí)又確保了從頭計(jì)算（ab initio）的高精準(zhǔn)度。這支隊(duì)伍由來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校、北京應(yīng)用物理和計(jì)算數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心，普林斯頓大學(xué)的學(xué)者組成。獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)8人中有7張中國(guó)面孔。
圖注：2020年戈登貝爾獎(jiǎng)線上頒獎(jiǎng)
圖注：2017年戈登貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)
根據(jù)官網(wǎng)消息，SC21國(guó)際大學(xué)生超算競(jìng)賽總決賽結(jié)果已經(jīng)公布，華人團(tuán)隊(duì)攬獲雙料冠軍！其中，南方科技大學(xué)獲得SCC LINPACK基準(zhǔn)測(cè)試最高性能冠軍、清華大學(xué)超算團(tuán)隊(duì)獲得學(xué)生分組賽總冠軍！
南方科技大學(xué)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員：Tongzhou Gu ，Yiqi Zhang，Botian Xu，Yingwei Zheng，Bingzhen Wang，指導(dǎo)老師為Jing Fan
清華大學(xué)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員：Mingshuzhai，zeyu Song，Kaiyuan Rong，Yanyu Ren，Yuxi Zhu，Juncheng Cao，指導(dǎo)教授為翟季冬
SC超算競(jìng)賽（Student Cluster Competition）與ASC超算競(jìng)賽和ISC超算競(jìng)賽并列為世界最具權(quán)威性的三大國(guó)際大學(xué)生超算競(jìng)賽，每年吸引著世界各國(guó)家和地區(qū)的眾多高校參與。本次決賽有來(lái)自克萊姆森大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院、波士頓大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、暨南大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)、南方科技大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、維克森林大學(xué)等海內(nèi)外頂級(jí)團(tuán)隊(duì)參賽。
該比賽旨在促進(jìn)大學(xué)生與工業(yè)界之間的聯(lián)系，推動(dòng)世界各地區(qū)超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應(yīng)用水平和研發(fā)能力。
今年的賽題主要圍繞高能微子物理學(xué)的一個(gè)多圖像、語(yǔ)義分割應(yīng)用CosmicTagger。對(duì)于大、高分辨率和稀疏的目標(biāo)標(biāo)簽，該網(wǎng)絡(luò)在感興趣的像素上的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到95%以上，比傳統(tǒng)技術(shù)高出5倍。
然而，圖像的高分辨率特性使得該應(yīng)用程序的計(jì)算成本很高，并且在沒(méi)有高性能集群的情況下很難訓(xùn)練收斂。參賽學(xué)生的任務(wù)就是在競(jìng)賽中重新構(gòu)建、優(yōu)化和運(yùn)行這個(gè)神秘的應(yīng)用程序。
從最終的比賽結(jié)果來(lái)看，南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在HPCG基準(zhǔn)上取得了10.4TFLOPS，高出第二名2.82TFLOPS.在IO500基準(zhǔn)上獲得8.70的成績(jī)。
更多SCC 比賽成績(jī)：http://sc21.studentclustercompetition.us/d/a2naO02Mz/scc-21?orgId=1
AI科技評(píng)論注意到，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)已連續(xù)第四年的斬獲SCC學(xué)生超算大賽冠軍，去年翟季冬帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)更是奪得基準(zhǔn)最高性能、學(xué)生分組賽雙料總冠軍！
在SCC 2020競(jìng)賽中，清華團(tuán)隊(duì)在LINPACK、HPCG、IO500三個(gè)經(jīng)典的基準(zhǔn)測(cè)試賽題中，以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)排名第一，其中清華高性能計(jì)算研究所自主研制的MadFS在IO500上取得143.73分的成績(jī)，是第二名的5倍多。相關(guān)報(bào)道可參AI科技評(píng)論報(bào)道：奮戰(zhàn)三天三夜，清華大學(xué)蟬聯(lián)SC國(guó)際大學(xué)生超算競(jìng)賽總冠軍！
超算杰出新人獎(jiǎng)（IEEE CS TCHPC Early Career Researchers Award for Excellence in HighPerformance）由目前全球最大的非營(yíng)利性專(zhuān)業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)，國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)起，每年舉辦一次，在全球范圍內(nèi)表彰不超過(guò)3人，僅授予在博士畢業(yè)5年之內(nèi)，已在高性能計(jì)算領(lǐng)域做出有影響力的卓越貢獻(xiàn)，并且可以為高性能計(jì)算的發(fā)展做出長(zhǎng)期貢獻(xiàn)的優(yōu)秀青年學(xué)者。
2021年 IEEE CS TCHPC 超算杰出新人獎(jiǎng)由來(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Bing Xie、新加坡國(guó)立大學(xué)的尤洋和深圳大學(xué)的周池獲得。超算杰出新人獎(jiǎng)一直被歐美的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室和高校所壟斷，在此之前，僅有清華大學(xué)甘霖老師于2018年獲此殊榮。今年除了高校和科研機(jī)構(gòu)的學(xué)者外，尤洋是該獎(jiǎng)設(shè)立以來(lái)第一位來(lái)自國(guó)內(nèi)企業(yè)界的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/span>
Bing Xie博士是橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 橡樹(shù)嶺領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施 (OLCF) 的 HPC 研究科學(xué)家。
Bing Xie
尤洋
周池
通過(guò)上文的復(fù)盤(pán)，不難發(fā)現(xiàn)“華人學(xué)者逐漸在SC上嶄露頭角”，針對(duì)此現(xiàn)象，AI科技評(píng)論對(duì)話(huà)了中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馮圣中教授。
馮圣中，國(guó)家超級(jí)計(jì)算深圳中心主任，教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)杰出會(huì)員，國(guó)家高性能計(jì)算重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)總體組專(zhuān)家，中國(guó)數(shù)學(xué)軟件協(xié)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。作為課題負(fù)責(zé)人，參與863重大專(zhuān)項(xiàng)“曙光4000系列超級(jí)計(jì)算機(jī)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大專(zhuān)項(xiàng)“基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)計(jì)算環(huán)境”、中國(guó)科學(xué)院重大專(zhuān)項(xiàng)“生物信息處理專(zhuān)用機(jī)”項(xiàng)目。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、部委科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)，獲首屆“春暉杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)。發(fā)表SCI/EI收錄論文30余篇。主要研究方向?yàn)楦咝阅苡?jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、生物信息學(xué)。
馮教授對(duì)中國(guó)近年在SC上獲獎(jiǎng)?lì)l繁一事分享一些個(gè)人觀點(diǎn)，在他看來(lái)主要有三方面的原因：1. 世界領(lǐng)先機(jī)器的應(yīng)用，即技術(shù)的進(jìn)步；2. 大批新一代超算人才的成長(zhǎng)； 3. 中國(guó)與國(guó)際學(xué)術(shù)科技的交流不斷深入。此外，也離不開(kāi)國(guó)家政策的重視程度、科研水平的提升以及社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)科研的需求增加等因素。
至于“中國(guó)超算的春天是否已來(lái)臨”，馮教授也談了一些個(gè)人看法，他覺(jué)得中國(guó)超算的春天應(yīng)該是來(lái)了，原因跟上述提到的幾點(diǎn)大致相同。第一，之前更注重基礎(chǔ)科研，現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的要求不斷提高，對(duì)超算的需要也愈加旺盛；第二，經(jīng)過(guò)多年積累，國(guó)內(nèi)的超算應(yīng)用隊(duì)伍不斷發(fā)展，為超算研究打下人才基礎(chǔ)。
除此之外，也有業(yè)內(nèi)人士為AI科技評(píng)論從另一個(gè)角度進(jìn)行了解讀，他認(rèn)為華人團(tuán)隊(duì)多次奪冠也許與“不計(jì)成本的算力投入”有關(guān)，國(guó)外很少做如此大算力的單項(xiàng)課題。
AI科技評(píng)論注意到，截至發(fā)稿前，中國(guó)團(tuán)隊(duì)第四次榮獲戈登貝爾獎(jiǎng)的消息已經(jīng)在社交媒體上引起廣泛關(guān)注，中科院計(jì)算所包云崗老師第一時(shí)間發(fā)文表示了祝賀，并從三個(gè)方面分析了此次獲獎(jiǎng)對(duì)科學(xué)研究和中國(guó)超算發(fā)展的重要意義。（第四次為中美合作團(tuán)隊(duì)奪冠）
① 科學(xué)上的意義。這次獲獎(jiǎng)的應(yīng)用是“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬”，該應(yīng)用可在60小時(shí)內(nèi)完成100量子比特40層深度的量子隨機(jī)電路的單振幅模擬，304秒內(nèi)完成谷歌“懸鈴木”當(dāng)年“量子霸權(quán)”問(wèn)題的模擬（谷歌當(dāng)年宣稱(chēng)，使用美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit要得到類(lèi)似的結(jié)果需要一萬(wàn)年）。這個(gè)成果有力的回?fù)袅肆孔佑?jì)算機(jī)近期不斷宣稱(chēng)的在特定問(wèn)題上獲得了對(duì)傳統(tǒng)超算量子霸權(quán)的神話(huà)。
② 展示了中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)力。中美日都在沖擊E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)（Exascale=10的18次方，每秒百億億次運(yùn)算）。海外已經(jīng)有報(bào)到稱(chēng)中國(guó)已經(jīng)率先研制出E級(jí)超算，而且有兩臺(tái)（圖2）。但因?yàn)槟承┰颍袊?guó)并沒(méi)有將最新的超算參加Top500排行榜，因此大家看到的還是日本的富岳排第一，中國(guó)的神威太湖之光排第四。而這一次的戈登貝爾獎(jiǎng)，在標(biāo)題上表明這項(xiàng)量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬工作是在“神威新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)”上開(kāi)展。不參加Top500排名，但用最新一代E級(jí)超算上的應(yīng)用贏得一年一度的戈登貝爾獎(jiǎng)，也算是一種凡爾賽了。
③ 中國(guó)以前在超算領(lǐng)域“造強(qiáng)用弱”的局面開(kāi)始扭轉(zhuǎn)。今年我國(guó)共有3項(xiàng)超算應(yīng)用入圍戈登貝爾獎(jiǎng)（全球共6個(gè)入圍），除獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用外，另外兩項(xiàng)應(yīng)用分別是“千萬(wàn)核可擴(kuò)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(dòng)理學(xué)等離子體模擬”。
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