在智能時(shí)代，數(shù)據(jù)的價(jià)值已經(jīng)被重新定義。無(wú)論是千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，還是元宇宙、XR背后的虛擬世界，都離不開(kāi)龐大數(shù)據(jù)量的采集和處理，多元化的應(yīng)用場(chǎng)景使得傳統(tǒng)的加速計(jì)算方式難以滿足復(fù)雜需求。在德國(guó)漢堡舉行的ISC 2023國(guó)際超算大會(huì)上，NVIDIA發(fā)布了一系列關(guān)于高效節(jié)能超級(jí)計(jì)算和量子計(jì)算的最新進(jìn)展，包括一臺(tái)由NVIDIA CPU加速的新超級(jí)計(jì)算機(jī)“Isambard 3”，以及與羅爾斯·羅伊斯公司噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)組合作的量子計(jì)算突破。

(資料圖)

如今，有越來(lái)越多的超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了Arm架構(gòu)的處理器，甚至闖入了TOP500的前列。部署在英國(guó)布里斯托和巴斯科學(xué)園的Isambard 3，是英國(guó)GW4科研聯(lián)盟的一部分，該項(xiàng)目由布里斯托大學(xué)、巴斯大學(xué)、卡迪夫大學(xué)和埃克塞特大學(xué)牽頭。Isambard 3搭載了384顆基于Arm架構(gòu)的NVIDIA Grace CPU超級(jí)芯片，用于推動(dòng)醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究，其性能和能效預(yù)計(jì)將達(dá)到Isambard 2的六倍，使其成為歐洲最節(jié)能的系統(tǒng)之一。該超算的FP64峰值性能達(dá)到約2.7 petaflops，功耗低于270千瓦，躋身世界三大最環(huán)保的非加速超級(jí)計(jì)算機(jī)之列。

NVIDIA Grace CPU由兩個(gè)CPU芯片組成，它們之間通過(guò)NVLink-C2C互連，NVLink-C2C是一種新型的高速、低延遲、芯片到芯片的互連技術(shù)。Grace CPU是由CPU-GPU集成的“Grace Hopper超級(jí)芯片”的模塊，與基于NVIDIA Hopper架構(gòu)的GPU一同應(yīng)用于大型HPC和AI應(yīng)用。該芯片專為提供最高的性能而打造，能夠在單個(gè)插座（socket）中容納144個(gè)Arm核心。根據(jù)NVIDIA實(shí)驗(yàn)室使用同類編譯器估算，這一結(jié)果較當(dāng)前DGX A100搭載的雙CPU相比高1.5倍以上。Grace CPU還提供了能效和內(nèi)存帶寬，其依托帶有糾錯(cuò)碼的LPDDR5x內(nèi)存組成的創(chuàng)新的內(nèi)存子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)速度和功耗的最佳平衡。LPDDR5x內(nèi)存子系統(tǒng)提供兩倍于傳統(tǒng)DDR5設(shè)計(jì)的帶寬，可達(dá)到每秒1TB ，功耗大幅降低 ，CPU加內(nèi)存整體功耗僅500瓦。

英國(guó)科研聯(lián)盟GW4打造能效提升6倍的超級(jí)計(jì)算機(jī)，用于氣候科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域

NVIDIA超大規(guī)模與高性能計(jì)算副總裁Ian Buck表示：“隨著氣候變化成為一個(gè)日益嚴(yán)峻的問(wèn)題，計(jì)算機(jī)采用節(jié)能技術(shù)至關(guān)重要。NVIDIA正在與Arm Neoverse生態(tài)系統(tǒng)合作，為打造更節(jié)能的超級(jí)計(jì)算中心鋪平道路，推動(dòng)科學(xué)和工業(yè)研究取得重大突破。”由HPE建設(shè)的Isambard 3將助力歐洲科研界在人工智能、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、天體物理學(xué)和生物技術(shù)方面取得突破，其能夠創(chuàng)建風(fēng)電場(chǎng)和聚變反應(yīng)堆等超復(fù)雜結(jié)構(gòu)的詳細(xì)模型，幫助科研人員在清潔能源和綠色能源方面取得新進(jìn)展。

Arm高級(jí)副總裁兼基礎(chǔ)設(shè)施總經(jīng)理Mohamed Awad表示：“從氣候變化到醫(yī)學(xué)，超級(jí)計(jì)算已經(jīng)使學(xué)術(shù)和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者能夠應(yīng)對(duì)世界上一些最重大的挑戰(zhàn)。在重要的研究領(lǐng)域進(jìn)行拓展需要Arm Neoverse獨(dú)特的性能和能效。通過(guò)與NVIDIA合作，我們?yōu)槟軌蛟贗sambard 3超級(jí)計(jì)算機(jī)中滿足這種需求而感到自豪。”

NVIDIA基于Arm架構(gòu)的由NVIDIA Grace驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)將延續(xù)Isambard 2的分子機(jī)制模擬工作，以更好地了解帕金森病，并為骨質(zhì)疏松癥和COVID-19尋找新的治療方法。這些計(jì)算密集型應(yīng)用受益于Grace超級(jí)芯片中提供的最高性能的核心、最高的內(nèi)存帶寬和最優(yōu)的單核內(nèi)存容量。

Isambard項(xiàng)目首席研究員、布里斯托大學(xué)高性能計(jì)算教授Simon McIntosh-Smith表示：“Isambard 3的應(yīng)用性能效率高達(dá)其前代的6倍，媲美全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中排名前50的超級(jí)計(jì)算機(jī)，將為科學(xué)家提供革命性的全新超級(jí)計(jì)算平臺(tái)，以推進(jìn)科研工作取得突破。基于Arm架構(gòu)的NVIDIA Grace CPU具有突破性的能效，能夠突破科學(xué)發(fā)現(xiàn)的界限，從而解決人類面臨的一些最困難挑戰(zhàn)。”

據(jù)了解，Isambard 3在2024年春季投入使用后，布里斯托大學(xué)預(yù)計(jì)注冊(cè)用戶數(shù)量將大幅超過(guò)當(dāng)前的800人。另有消息稱，瑞士國(guó)家超算中心和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在建造配備GPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

瑞士國(guó)家超算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)

美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)

在量子計(jì)算領(lǐng)域，NVIDIA、羅爾斯羅伊斯和量子軟件公司Classiq公布了一項(xiàng)新突破，進(jìn)一步提升了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。通過(guò)采用NVIDIA的量子計(jì)算平臺(tái)，兩家公司設(shè)計(jì)并模擬了世界上最大的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）量子計(jì)算電路，該電路測(cè)量深度為1000萬(wàn)層，有39個(gè)量子位。羅爾斯羅伊斯正在使用GPU為量子未來(lái)做準(zhǔn)備，盡管當(dāng)今的量子計(jì)算機(jī)僅能支持只有幾層的電路深度。羅爾斯羅伊斯致力于建造最先進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以更加可持續(xù)的航空設(shè)備推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型。該公司計(jì)劃使用新的電路發(fā)揮量子在CFD中的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)使用經(jīng)典和量子計(jì)算方法來(lái)模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的性能。

全球最大的工業(yè)模擬量子電路將推動(dòng)航空領(lǐng)域量子計(jì)算的發(fā)展

羅爾斯羅伊斯及其合作伙伴——以色列公司Classiq先是使用Classiq的合成引擎設(shè)計(jì)了該電路，然后使用NVIDIA A100 TensorCore GPU對(duì)其進(jìn)行模擬，而NVIDIA cuQuantum——一個(gè)包含經(jīng)過(guò)優(yōu)化、用于加快量子計(jì)算流程的庫(kù)和工具軟件開(kāi)發(fā)工具套件保證了該流程的速度和規(guī)模。

自20世紀(jì)八十年代以來(lái)，量子計(jì)算就不斷受到關(guān)注，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)發(fā)量子軟件的大型組織數(shù)量從2018年的1%增長(zhǎng)至2021年的30%，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年的商業(yè)成熟度會(huì)更繼續(xù)提升，到2024年全球70%的大公司將開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)軟件。創(chuàng)立于2020年的Classiq是一家位于以色列的量子算法設(shè)計(jì)平臺(tái)提供商，此前曾獲得了超過(guò)千萬(wàn)美元的融資。Classiq提供的量子算法設(shè)計(jì)平臺(tái)，允許開(kāi)發(fā)人員使用功能模型設(shè)計(jì)量子電路，可以在該平臺(tái)搜索包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)電路配置的解決方案空間，以找到符合資源要求、設(shè)計(jì)者提供的目標(biāo)硬件平臺(tái)。

NVIDIA提供了一個(gè)加快各學(xué)科量子研究和開(kāi)發(fā)突破的統(tǒng)一計(jì)算平臺(tái)，Grace Hopper超級(jí)芯片集NVIDIA Hopper架構(gòu)GPU的性能與NVIDIA Grace CPU的多功能性于一身，可以滿足超大規(guī)模量子模擬工作負(fù)載。此外，高速、低延遲的NVIDIA NVLink-C2C互連技術(shù)優(yōu)化了使用該超級(jí)芯片構(gòu)建的經(jīng)典系統(tǒng)與量子處理器或QPU的連接。Grace Hopper每個(gè)節(jié)點(diǎn)共有600GB快速訪問(wèn)內(nèi)存，使得量子生態(tài)系統(tǒng)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大這些模擬的規(guī)模。

GPU加速量子計(jì)算系統(tǒng)DGX Quantum的背后，就是Grace Hopper提供了有力的支撐，同時(shí)，NVIDIA還為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)連接GPU和QPU的強(qiáng)大開(kāi)源編程模型——NVIDIA CUDA Quantum。集成CUDA Quantum的最新QPU制造商ORCA Computing正在將其光子量子計(jì)算機(jī)與用于機(jī)器學(xué)習(xí)的GPU相結(jié)合。兩個(gè)熱門量子機(jī)器學(xué)習(xí)框架TensorFlow Quantum和TorchQuantum現(xiàn)在也集成了cuQuantum。除此之外，NVIDIA GPU之上的“量子故事”，還在持續(xù)上演。

歐洲最大的量子計(jì)算設(shè)施之——于利希超級(jí)計(jì)算中心也在ISC上宣布，計(jì)劃與NVIDIA共同建立一座量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室將將與慕尼黑的ParTec AG一起在NVIDIA量子計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一臺(tái)經(jīng)典-量子超級(jí)計(jì)算機(jī)，使用CUDA Quantum等工具幫助開(kāi)發(fā)者推動(dòng)了量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。

這項(xiàng)重大合作將推動(dòng)在NVIDIA 加速的系統(tǒng)上運(yùn)行高性能計(jì)算和量子計(jì)算工作負(fù)載的研究

該實(shí)驗(yàn)室將由歐洲最大的跨學(xué)科研究中心之一——德國(guó)于利希研究中心（FZJ）運(yùn)營(yíng)，并作為于利希量子計(jì)算用戶基礎(chǔ)設(shè)施（JUNIQ）的一部分，運(yùn)行高性能、低延遲的量子-經(jīng)典計(jì)算工作負(fù)載。JUNIQ正在使用搭載3744顆NVIDIA A100 Tensor Core GPU的JUWELS加速系統(tǒng)進(jìn)行量子計(jì)算模擬。

JSC量子信息處理部主管Kristel Michielsen表示：“混合量子-經(jīng)典系統(tǒng)正在使量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)，以解決單靠經(jīng)典計(jì)算無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。通過(guò)與NVIDIA合作建立這座模塊化量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，JSC的研究人員可以在化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域取得前所未有的進(jìn)步，推動(dòng)各個(gè)科學(xué)學(xué)科和行業(yè)實(shí)現(xiàn)更加廣泛的變革性進(jìn)展。”

NVIDIA量子計(jì)算平臺(tái)通過(guò)開(kāi)源CUDA Quantum編程模型實(shí)現(xiàn)了量子與經(jīng)典計(jì)算的緊密集成，并通過(guò)NVIDIA cuQuantum軟件開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)了一流的模擬。JSC計(jì)劃采用分階段的方式測(cè)試該系統(tǒng)，使用NVIDIA CUDA量子編程模型對(duì)量子處理器進(jìn)行編程并將其集成到于利希超大規(guī)模模塊化超級(jí)計(jì)算架構(gòu)中。

ParTec AG首席執(zhí)行官Bernhard Frohwitter表示：“ParTec長(zhǎng)期以來(lái)一直在推動(dòng)模塊化超級(jí)計(jì)算架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，并通過(guò)領(lǐng)先的ParaStation Modulo軟件實(shí)現(xiàn)了混合模塊化計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)將成為未來(lái)任何異構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)必不可少的組成部分。此次合作將帶來(lái)新的可能性。”

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