智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
智東西5月16日報道，NVIDIA本周在國際超算大會ISC 2024上公布了多項科學(xué)計算、量子計算相關(guān)進(jìn)展，包括科研人員利用NVIDIA技術(shù)將生成式AI應(yīng)用于代碼生成、天氣預(yù)報、遺傳學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的高性能計算（HPC）工作，以及通過開源的NVIDIA CUDA-Q量子計算平臺助力國家級超算中心加快量子計算的研究發(fā)展。
加速計算和AI能夠降低能源成本。據(jù)介紹，相較于基于傳統(tǒng)CPU的系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，天氣模擬的成本和能耗分別降至其1/200和1/300，數(shù)字孿生模擬的成本和能耗則分別降至其1/65和1/58。?
全球9臺新型超級計算機(jī)正在通過使用NVIDIA Grace Hopper超級芯片加快科學(xué)研究，這些系統(tǒng)可提供200EFLOPS的高能效AI處理能力。在Green500榜單上，排名前50的超級計算機(jī)中，有39臺都使用了NVIDIA GPU。
例如，在科學(xué)應(yīng)用方面，美國國家能源研究科學(xué)計算中心的Perlmutter超級計算機(jī)利用加速計算將能效平均提高了5倍。布里斯托大學(xué)高性能計算教授Simon McIntosh-Smith談道：“通過與NVIDIA合作，我們在破紀(jì)錄的時間內(nèi)完成了項目的第一階段。等到今年夏天整個項目完工后，其性能將得到大幅提升，能夠進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)分析、新藥研發(fā)、氣候研究等領(lǐng)域的發(fā)展。”
一、生成式AI落地科學(xué)計算，加速代碼生成、天氣預(yù)報、新藥研發(fā)
許多國家實驗室和企業(yè)實驗室正在使用生成式AI加速商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的HPC發(fā)展，用于代碼生成、天氣預(yù)測、生成基因、新藥研發(fā)、新型材料開發(fā)等。
在代碼生成方面，桑迪亞國家實驗室正在構(gòu)建一個大語言模型智能助手Kokkos，用來自動生成并行計算代碼。這個專門的編程語言由多個國家實驗室的研究人員開發(fā)，可處理在超級計算機(jī)的數(shù)萬個處理器上運行任務(wù)時出現(xiàn)的細(xì)微差別。
桑迪亞實驗室正利用檢索增強(qiáng)生成（RAG）技術(shù)創(chuàng)建Kokkos數(shù)據(jù)庫，將其與AI模型集成。其采用的不同RAG方法已經(jīng)自主生成了用于并行計算應(yīng)用的Kokkos代碼，將要評估的RAG選項包括NeMo Retriever等云服務(wù)。
在天氣預(yù)測方面，一些天氣預(yù)報領(lǐng)域的研究人員和企業(yè)采用了NVIDIA Earth-2的生成式AI模型CorrDiff。CorrDiff可以將傳統(tǒng)大氣模型的25公里分辨率降至2公里，并將可合并的預(yù)報數(shù)量擴(kuò)大100倍以上，從而提高預(yù)測的可信度。
Spire公司通過自己的微型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，其機(jī)器學(xué)習(xí)和建模負(fù)責(zé)人Tom Gowan在近期的一次采訪中談道，生成式AI可以實現(xiàn)更加快速、準(zhǔn)確的預(yù)測，這是氣象學(xué)領(lǐng)域的一次巨大飛躍。
瑞士Meteomatics公司近日也宣布計劃將NVIDIA生成式AI平臺用于天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，以幫助能源公司實現(xiàn)最大限度的可再生能源利用，并通過快速、準(zhǔn)確的天氣波動洞察提高盈利能力。
在醫(yī)學(xué)研究方面，阿貢國家實驗室的科學(xué)家正在生成式AI技術(shù)生成基因序列，以便更好地了解COVID-19背后的病毒。他們一項獲獎的模型GenSLMs所生成的模擬結(jié)果與現(xiàn)實世界中的SARS-CoV-2變體非常相似。GenSLMs使用超過1.1億個基因組序列，在多臺搭載NVIDIA Tensor Core GPU的超級計算機(jī)上訓(xùn)練而成。
在材料科學(xué)方面，微軟研究院在Azure AI基礎(chǔ)架構(gòu)上使用NVIDIA Tensor Core GPU上訓(xùn)練出MatterGen模型。這款模型可生成具有所需特性的新型穩(wěn)定材料，并能夠指定想要開發(fā)材料的化學(xué)、磁性、電子、機(jī)械等特性。Carbon3D等公司也在探索將生成式AI應(yīng)用于商業(yè)3D打印中的材料科學(xué)研究。
NVIDIA Quantum-X800 InfiniBand網(wǎng)絡(luò)平臺，包含NVIDIA Quantum Q3400和Q3200交換機(jī)，以及NVIDIA ConnectX-8 SuperNIC，二者組合在帶寬上可達(dá)上一代產(chǎn)品的2倍，可為科學(xué)計算基礎(chǔ)設(shè)施提供最高吞吐量。
Q3400平臺的帶寬容量提高了5倍，并且借助NVIDIA的SHARPv4（可擴(kuò)展分層聚合和歸約協(xié)議）技術(shù)實現(xiàn)了14.4TFLOPS的網(wǎng)絡(luò)計算能力，較上一代產(chǎn)品提高了9倍。
二、CUDA-Q與QPU雙劍合璧，推動量子計算研究與應(yīng)用
量子計算為聚變能、氣候研究、新藥研發(fā)等領(lǐng)域帶來了大幅加速。因此研究人員正努力在基于NVIDIA GPU的系統(tǒng)和軟件上模擬未來的量子計算機(jī)。
德國、日本、波蘭的超算中心將使用NVIDIA CUDA-Q量子計算平臺，來支持其由NVIDIA加速的高性能計算系統(tǒng)中的量子處理器（QPU）。
QPU是量子計算機(jī)的大腦，通過利用電子或光子等粒子行為進(jìn)行計算，計算方式與傳統(tǒng)處理器不同，可能使某些類型的計算速度更快。
NVIDIA CUDA-Q平臺是一個開源的QPU無關(guān)的量子-經(jīng)典加速超算平臺，通過一個實現(xiàn)CPU、GPU、QPU協(xié)同工作的統(tǒng)一編程模型，實現(xiàn)量子計算機(jī)模擬和混合應(yīng)用開發(fā)。
通過將量子計算機(jī)與超級計算機(jī)緊密集成，CUDA-Q還能夠?qū)I與量子計算結(jié)合，以解決有噪聲的量子比特等問題，并開發(fā)高效的算法。
德國于利希研究中心的于利希超算中心（JSC）正在安裝1顆由IQM Quantum Computers公司制造的QPU，以支持JUPITER超級計算機(jī)。該QPU是使用超導(dǎo)量子比特或電子諧振電路制造的，在低溫下的行為像人造原子，使JSC研究人員能開發(fā)針對化學(xué)模擬和優(yōu)化問題的量子應(yīng)用，并展示量子計算機(jī)如何加速經(jīng)典超級計算機(jī)。
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）采用了NVIDIA Hopper架構(gòu)的ABCI-Q超級計算機(jī)也將增加1顆來自QuEra的QPU。這顆QPU將使AIST的研究人員能利用激光控制的銣原子作為量子比特進(jìn)行計算，用以研究AI、能源和生物學(xué)領(lǐng)域的量子應(yīng)用。這些原子與精密原子鐘中使用的原子類型相同。每個原子都完全相同，為實現(xiàn)大規(guī)模高保真量子處理器提供了一種很有前景的方法。
波蘭波茲南超級計算與網(wǎng)絡(luò)中心（PSNC）近期安裝了2顆由ORCA Computing公司制造的光子QPU。PSNC的QPU將使研究人員能夠使用兩個PT-1量子光子系統(tǒng)來探索生物學(xué)、化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)。這兩個系統(tǒng)使用電信頻率下的單個光子或光包用作量子比特，由此可使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成電信組件實現(xiàn)分布式、可擴(kuò)展和模塊化的量子架構(gòu)。
結(jié)語：算力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)化，助攻科學(xué)計算與量子計算研究效率提升
生成式AI時代產(chǎn)生了暴漲的算力需求，要求算力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步升級，以提升超級計算和數(shù)據(jù)中心的性能和能效，從而使科學(xué)計算的工作負(fù)載完成時間與能耗顯著減少。
生成式AI、量子計算等技術(shù)進(jìn)步正推動基于物理模擬的科學(xué)計算發(fā)展，加速氣候變化研究、聚變能源、新藥研發(fā)等突破性科學(xué)計算研究。NVIDIA提供的豐富工具和先進(jìn)技術(shù)，正在幫助這些領(lǐng)域的先行者們大大加快工作速度，突破研究邊界。
