重磅！中國團(tuán)隊(duì)“百億億次超算模擬量子”斬獲2021年戈登貝爾獎(jiǎng) 另有兩項(xiàng)獲提名

北京時(shí)間11月19日消息（余予）在近日舉辦的hybrid virtual/in-person SC21會(huì)議上，來自之江實(shí)驗(yàn)室、清華及無錫超算中心的14人組成的中國研究團(tuán)隊(duì)斬獲今年超算領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)戈登貝爾獎(jiǎng)——利用新的百億億級(jí)雙威系統(tǒng)模擬量子電路。

據(jù)了解，戈登貝爾獎(jiǎng)(GORDON BELL PRIZE)，設(shè)立于1987年，是國際上高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，被稱為“超算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”，主要頒發(fā)給高性能應(yīng)用領(lǐng)域最杰出成就，由ACM每年評(píng)選和頒發(fā)，具有較大的國際影響力。獲獎(jiǎng)?wù)邔?huì)獲得由HPC 先驅(qū) Gordon Bell 提供1萬美元的獎(jiǎng)金。

ACM 旨在“跟蹤并行計(jì)算隨時(shí)間的進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)將高性能計(jì)算應(yīng)用于科學(xué)、工程和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)。”。今年的戈登貝爾獎(jiǎng)決賽有6個(gè)項(xiàng)目，涉及量子計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、光譜學(xué)及核聚變等多個(gè)領(lǐng)域。

附：2021年ACM戈登貝爾獎(jiǎng)獲得者

縮小“量子霸權(quán)”鴻溝：使用新型雙威超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)量子電路模擬

來自于浙江實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、無錫國家超級(jí)計(jì)算中心和上海量子科學(xué)研究中心的14名研究人員利用大規(guī)模新雙威百億億次系統(tǒng)對(duì)量子進(jìn)行了開創(chuàng)性的電路模擬。

“隨著谷歌在2019 年發(fā)表的“量子霸權(quán)”宣言，聲稱Sycamore 超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)比 Summit 快十億倍以上，量子時(shí)代的黎明開始以更積極的方式展開，”研究人員寫道，“IBM 研究團(tuán)隊(duì)后來回應(yīng)認(rèn)為，他們可以在經(jīng)典的 Summit 超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成模擬……是在幾天之內(nèi)，而不是1萬 年。”

該團(tuán)隊(duì)使用隨機(jī)量子電路的量子態(tài)采樣作為解決這一備受爭議的量子優(yōu)勢的示例問題。研究人員的隨機(jī)量子電路模擬器，結(jié)合Sunway exascale系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，模擬了一個(gè) 10×10(量子位)×(1+40+1)(深度) 的電路，持續(xù)性能達(dá)到驚人的120億億次單精確計(jì)算或 440億億次混合精度計(jì)算，研究人員稱這是“量子電路經(jīng)典模擬的新里程碑”。他們將模擬采樣時(shí)間從之前估計(jì)的1萬年減少到 304 秒。

*上圖由研究人員提供，主要經(jīng)典隨機(jī)量子電路模擬總結(jié)。X 軸表示量子比特的數(shù)量；Y軸表示所需的相應(yīng)內(nèi)存空間；圓圈和矩形的大小表示電路的復(fù)雜性/深度。

ACM戈登貝爾獎(jiǎng)提名：

在量子模擬研究獲得獎(jiǎng)項(xiàng)的同時(shí)，其他五項(xiàng)被提名代表了對(duì)世界上一些最緊迫的研究應(yīng)用的最深入研究。

·Anton 3：午餐前的 20 微秒分子動(dòng)力學(xué)模擬

多達(dá) 67 名研究人員參與了這項(xiàng)研究，最終開發(fā)出了由D.E. Shaw設(shè)計(jì)和建造的專用 Anton 3 分子動(dòng)力學(xué)超級(jí)計(jì)算機(jī)。研究人員報(bào)告說，Anton 3 能夠以每天 100 微秒的速度在 512 個(gè)節(jié)點(diǎn)上模擬一百萬個(gè)原子，每模擬1微秒的能量比任何其他機(jī)器都要少一個(gè)數(shù)量級(jí)。為實(shí)現(xiàn)這一壯舉，他們實(shí)施了一系列架構(gòu)和算法改進(jìn)，包括一個(gè)新的自定義網(wǎng)絡(luò)、不同精度的專門的成對(duì)交互，以及一個(gè)名為“曼哈頓方法”、用于解決非綁定交互的新方法。

·“富岳（Fugaku）”超級(jí)計(jì)算機(jī)上的 400 萬億網(wǎng)格 Vlasov 模擬：宇宙遺跡中微子在六維相空間中的大規(guī)模分布

研究人員通過對(duì)宇宙遺跡中微子的大規(guī)模模擬，結(jié)合冷暗物質(zhì)的 N 體模擬。他們最大的模擬跨越了 400 萬億個(gè)網(wǎng)格和 3300 億天體的計(jì)算，“精準(zhǔn)地再現(xiàn)了宇宙中中微子的非線性動(dòng)力學(xué)。”在“富岳”上進(jìn)行優(yōu)化后，研究人員擴(kuò)展了147,456 個(gè)節(jié)點(diǎn)，顯示出高達(dá) 96% 的弱縮放和高達(dá) 93% 的強(qiáng)縮放。

·托卡馬克等離子體中111.3 萬億個(gè)粒子和 257 億個(gè)網(wǎng)格的的保辛結(jié)構(gòu)粒子全體積模擬

托卡馬克，一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。來自中國的十幾名研究人員使用新的神威（Sunway）系統(tǒng)模擬了托卡馬克的全體積約束環(huán)面等離子體。這些模擬達(dá)到了111.3 萬億個(gè)粒子和 257 億個(gè)網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)了超過 201 petaflops 雙精度的持續(xù)性能，最快的迭代步數(shù)達(dá)到298.2。

·中國領(lǐng)先高性能計(jì)算系統(tǒng)的極尺度 從頭計(jì)算（Ab Initio）量子拉曼光譜模擬

這項(xiàng)研究也利用了新的神威百億億次系統(tǒng)，將拉曼光譜——一種結(jié)構(gòu)指紋——推向了新的極限。這十幾名來自中國的研究人員解釋稱，“拉曼光譜提供了化學(xué)和成分信息，可以作為各種材料的結(jié)構(gòu)指紋。因此，包括量子微擾分析和基態(tài)計(jì)算在內(nèi)的拉曼光譜的模擬都具有重要意義。”生物材料的拉曼光譜的全量子力學(xué)模擬已被證明特別困難，在這里，研究人員進(jìn)行了“快速、準(zhǔn)確、大規(guī)模并行的真實(shí)生物系統(tǒng)拉曼光譜全從頭計(jì)算模擬”，多達(dá) 3006 個(gè)原子，雙精度達(dá)到468.5 petaflops ，混合半精度達(dá)到813.7 petaflops，這表明“QM 方法在生物系統(tǒng)中的新應(yīng)用潛力”。

·碳在極端條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間和長度尺度下的十億原子分子動(dòng)力學(xué)模擬

這些研究人員在極端壓力和極端溫度下觀察到了碳“長期尋找”的BC8 相。為此，他們在美國領(lǐng)導(dǎo)力峰會(huì)系統(tǒng)上運(yùn)行，在 24 小時(shí)內(nèi)指揮 4650 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并展示了“SNAP [分子動(dòng)力學(xué)] 前所未有的擴(kuò)展性和無與倫比的現(xiàn)實(shí)世界性能”。代表模擬物理時(shí)間納秒，模擬實(shí)現(xiàn)了超過 97% 的并行效率和 50 petaflops 的峰值計(jì)算能力，用于跨越 Summit 近 28,000 個(gè) GPU上進(jìn)行了200 億原子分子動(dòng)力學(xué)模擬。研究人員稱，這一紀(jì)錄為620 萬個(gè)原子步/節(jié)點(diǎn)秒，是之前紀(jì)錄的工作的 22.9 倍。

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