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| 本文作者： 我在思考中 | 2021-11-19 18:11 |
作者 | 杏花、莓酊
戈登貝爾獎由美國計算機協(xié)會（ACM）設立于 1987 年，是國際高性能計算應用領(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，主要由展會和學術(shù)會議構(gòu)成。
戈登貝爾獎主要頒發(fā)給高性能應用領(lǐng)域最杰出的成就，通常會由當年 TOP500 排行名列前茅的計算機系統(tǒng)應用獲得，例如美國「泰坦」超級電腦、日本「京」超級計算機上的應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，清華大學及國家超級計算無錫中心的付昊桓、陳德訓，國家超級計算無錫中心的吳汶釗，上海量子科學研究中心的黃合良、郭楚。其中劉鑫、付昊桓、郭楚、陳德訓為共同通信作者。
今年我國共有三項超算應用入圍戈登貝爾獎，除獲獎團隊應用外，另外兩項應用分別是“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)電磁全動理學等離子體模擬”，這三項應用都曾在此前舉行的2021全國高性能計算學術(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。
據(jù)獲獎團隊負責人劉鑫在HPC China 2021的介紹，與“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度采樣任務相比，“頂點”需要一萬年完成同等復雜度的模擬，SWQSIM則可在304秒內(nèi)得到百萬更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關(guān)聯(lián)樣本，打破其所宣稱的“量子霸權(quán)”。
圖注：團隊負責人劉鑫在HPC China 2021作報告
何為“量子霸權(quán)”？“量子霸權(quán)”是一個科學術(shù)語，與國際政治無關(guān)。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現(xiàn)有的計算機，這個詞由美國物理學家John Preskill在2012年提出。由于“霸權(quán)”這個詞讓許多人觀感不適，現(xiàn)在更經(jīng)常把它稱為“量子優(yōu)越性”。
“量子霸權(quán)”一詞最先由谷歌炒起來。2019年10月24日，谷歌在《自然》上發(fā)表一篇文章，稱其開發(fā)出一款54量子比特數(shù)的超導量子芯片“懸鈴木”。基于該芯片，谷歌對一個53比特、20深度的電路采樣一百萬次只需200秒。而目前最強的經(jīng)典超級計算機“頂點”要得到類似的結(jié)果，則需要一萬年。基于這一突破，谷歌宣稱其率先實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
可見，SC2021獲獎應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)典超級計算機的種種潛在可能，即使道路有點曲折，但超算的前景是光明的。
“戈登貝爾獎”設立于1987年，在2016年之前，美國、日本曾壟斷該獎項長達近30年。2016年，中國在“戈登貝爾獎”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，他們使用HPC+AI+物理模型結(jié)合的方法，通過機器學習，將具有第一性原理精度的分子動力學模擬的極限提升至1億的驚人數(shù)量，同時又確保了從頭計算（ab initio）的高精準度。這支隊伍由來自加州大學伯克利分校、北京應用物理和計算數(shù)學研究所、北京大學應用物理與技術(shù)研究中心，普林斯頓大學的學者組成。獲獎團隊8人中有7張中國面孔。
圖注：2020年戈登貝爾獎線上頒獎
圖注：2017年戈登貝爾獎頒獎現(xiàn)場
根據(jù)官網(wǎng)消息，SC21國際大學生超算競賽總決賽結(jié)果已經(jīng)公布，華人團隊攬獲雙料冠軍！其中，南方科技大學獲得SCC LINPACK基準測試最高性能冠軍、清華大學超算團隊獲得學生分組賽總冠軍！
南方科技大學獲獎團隊成員：Tongzhou Gu ，Yiqi Zhang，Botian Xu，Yingwei Zheng，Bingzhen Wang，指導老師為Jing Fan
清華大學獲獎團隊成員：Mingshuzhai，zeyu Song，Kaiyuan Rong，Yanyu Ren，Yuxi Zhu，Juncheng Cao，指導教授為翟季冬
SC超算競賽（Student Cluster Competition）與ASC超算競賽和ISC超算競賽并列為世界最具權(quán)威性的三大國際大學生超算競賽，每年吸引著世界各國家和地區(qū)的眾多高校參與。本次決賽有來自克萊姆森大學、佐治亞理工學院、波士頓大學、清華大學、北京大學、暨南大學、上?？萍即髮W、南方科技大學、加州大學圣地亞哥分校、維克森林大學等海內(nèi)外頂級團隊參賽。
該比賽旨在促進大學生與工業(yè)界之間的聯(lián)系，推動世界各地區(qū)超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應用水平和研發(fā)能力。
今年的賽題主要圍繞高能微子物理學的一個多圖像、語義分割應用CosmicTagger。對于大、高分辨率和稀疏的目標標簽，該網(wǎng)絡在感興趣的像素上的準確率能夠達到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用程序的計算成本很高，并且在沒有高性能集群的情況下很難訓練收斂。參賽學生的任務就是在競賽中重新構(gòu)建、優(yōu)化和運行這個神秘的應用程序。
從最終的比賽結(jié)果來看，南方科技大學團隊在HPCG基準上取得了10.4TFLOPS，高出第二名2.82TFLOPS.在IO500基準上獲得8.70的成績。
更多SCC 比賽成績：http://sc21.studentclustercompetition.us/d/a2naO02Mz/scc-21?orgId=1
AI科技評論注意到，清華大學團隊已連續(xù)第四年的斬獲SCC學生超算大賽冠軍，去年翟季冬帶領(lǐng)的團隊更是奪得基準最高性能、學生分組賽雙料總冠軍！
在SCC 2020競賽中，清華團隊在LINPACK、HPCG、IO500三個經(jīng)典的基準測試賽題中，以絕對優(yōu)勢排名第一，其中清華高性能計算研究所自主研制的MadFS在IO500上取得143.73分的成績，是第二名的5倍多。相關(guān)報道可參AI科技評論報道：奮戰(zhàn)三天三夜，清華大學蟬聯(lián)SC國際大學生超算競賽總冠軍！
超算杰出新人獎（IEEE CS TCHPC Early Career Researchers Award for Excellence in HighPerformance）由目前全球最大的非營利性專業(yè)技術(shù)學會，國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)起，每年舉辦一次，在全球范圍內(nèi)表彰不超過3人，僅授予在博士畢業(yè)5年之內(nèi)，已在高性能計算領(lǐng)域做出有影響力的卓越貢獻，并且可以為高性能計算的發(fā)展做出長期貢獻的優(yōu)秀青年學者。
2021年 IEEE CS TCHPC 超算杰出新人獎由來自橡樹嶺國家實驗室的Bing Xie、新加坡國立大學的尤洋和深圳大學的周池獲得。超算杰出新人獎一直被歐美的國家級實驗室和高校所壟斷，在此之前，僅有清華大學甘霖老師于2018年獲此殊榮。今年除了高校和科研機構(gòu)的學者外，尤洋是該獎設立以來第一位來自國內(nèi)企業(yè)界的獲獎者。
Bing Xie博士是橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 橡樹嶺領(lǐng)導力計算設施 (OLCF) 的 HPC 研究科學家。
Bing Xie
尤洋
周池
通過上文的復盤，不難發(fā)現(xiàn)“華人學者逐漸在SC上嶄露頭角”，針對此現(xiàn)象，AI科技評論對話了中國科學院深圳先進技術(shù)研究院馮圣中教授。
馮圣中，國家超級計算深圳中心主任，教授，博士生導師，中國計算機學會杰出會員，國家高性能計算重點專項總體組專家，中國數(shù)學軟件協(xié)會常務理事，中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會委員。作為課題負責人，參與863重大專項“曙光4000系列超級計算機”、國家自然科學基金重大專項“基于網(wǎng)絡的科學計算環(huán)境”、中國科學院重大專項“生物信息處理專用機”項目。獲國家科技進步二等獎1項、部委科技進步獎多項，獲首屆“春暉杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎。發(fā)表SCI/EI收錄論文30余篇。主要研究方向為高性能計算、網(wǎng)格計算、生物信息學。
馮教授對中國近年在SC上獲獎頻繁一事分享一些個人觀點，在他看來主要有三方面的原因：1. 世界領(lǐng)先機器的應用，即技術(shù)的進步；2. 大批新一代超算人才的成長； 3. 中國與國際學術(shù)科技的交流不斷深入。此外，也離不開國家政策的重視程度、科研水平的提升以及社會對基礎科研的需求增加等因素。
至于“中國超算的春天是否已來臨”，馮教授也談了一些個人看法，他覺得中國超算的春天應該是來了，原因跟上述提到的幾點大致相同。第一，之前更注重基礎科研，現(xiàn)在對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的要求不斷提高，對超算的需要也愈加旺盛；第二，經(jīng)過多年積累，國內(nèi)的超算應用隊伍不斷發(fā)展，為超算研究打下人才基礎。
除此之外，也有業(yè)內(nèi)人士為AI科技評論從另一個角度進行了解讀，他認為華人團隊多次奪冠也許與“不計成本的算力投入”有關(guān)，國外很少做如此大算力的單項課題。
AI科技評論注意到，截至發(fā)稿前，中國團隊第四次榮獲戈登貝爾獎的消息已經(jīng)在社交媒體上引起廣泛關(guān)注，中科院計算所包云崗老師第一時間發(fā)文表示了祝賀，并從三個方面分析了此次獲獎對科學研究和中國超算發(fā)展的重要意義。（第四次為中美合作團隊奪冠）
① 科學上的意義。這次獲獎的應用是“超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬”，該應用可在60小時內(nèi)完成100量子比特40層深度的量子隨機電路的單振幅模擬，304秒內(nèi)完成谷歌“懸鈴木”當年“量子霸權(quán)”問題的模擬（谷歌當年宣稱，使用美國超級計算機Summit要得到類似的結(jié)果需要一萬年）。這個成果有力的回擊了量子計算機近期不斷宣稱的在特定問題上獲得了對傳統(tǒng)超算量子霸權(quán)的神話。
② 展示了中國超級計算機的實力。中美日都在沖擊E級超級計算機（Exascale=10的18次方，每秒百億億次運算）。海外已經(jīng)有報到稱中國已經(jīng)率先研制出E級超算，而且有兩臺（圖2）。但因為某些原因，中國并沒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，中國的神威太湖之光排第四。而這一次的戈登貝爾獎，在標題上表明這項量子隨機電路實時模擬工作是在“神威新一代超級計算機”上開展。不參加Top500排名，但用最新一代E級超算上的應用贏得一年一度的戈登貝爾獎，也算是一種凡爾賽了。
③ 中國以前在超算領(lǐng)域“造強用弱”的局面開始扭轉(zhuǎn)。今年我國共有3項超算應用入圍戈登貝爾獎（全球共6個入圍），除獲獎團隊應用外，另外兩項應用分別是“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)電磁全動理學等離子體模擬”。
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