打破“量子霸权”！“神威·太湖之光”成全球第一台每秒10亿亿次浮点运算能力超算

国家超级计算机应用中心是坐落在厄巴纳市尚佩恩县(Urbana-Champaign )的伊利诺伊大学的一个研究中心。NCSA 作为美国国家科学基金会(National Science Foundation)的一部分，成立于1985 年，以NCSA Mosaic(第一个图形Web 浏览器)和NSCA Telnet (常用的远程控制Web服务器的方法)而闻名。

国家超级计算应用中心(National Center for Supercomputing Applications，NCSA)是美国国家科学基金会按照其超级计算机中心计划最早设立的四个个中心之一(另外三个是圣地亚哥超级计算机中心、匹兹堡超级计算机中心和新近成立的德州高级计算机中心。)，它是伊利诺伊大学香槟(尚佩恩县)分校的一部分。1983年该校的电脑系的一个由拉雷·斯马尔领导的小组向国家科学基金会交递了一份未经批准的建议。1985年国家科学基金会宣布出钱设立国家超级电脑应用中心。1986年1月该中心的首台超级电脑启用。一开始国家超级计算应用中心的职工的办公室分布在伊利诺伊大学香槟分校的各地，主要在贝克曼研究所的建筑中，后来才建造了一座新建筑，将所有部门集中到了这座新建筑中。这座新建筑位于校园的本部，而中心的超级电脑则依然放在该校高级计算中心的建筑中。国家超级计算应用中心与其它大学、高等院校、政府机关、私有公司、社群和学校合作来发现能够对这些机构有益的虚拟信息基础设施。它获得国家科学基金会、伊利诺伊州、伊利诺伊大学、工业界和其它联邦机构的资助。广义地说国家超级计算应用中心有提供虚拟信息资源、设置虚拟信息环境和改进电脑系统的任务。

未来科学发现可以“算”出来!专家呼吁推广超算应用“高性能超级计算机，是世界发达国家争抢的重要‘制高点’，对国家安全、经济和社会发展，具有举足轻重的支持作用。”中国科学院院士陈国良11月26日在无锡市举行的2020智算未来用户大会暨《工业互联网数字化云创新发展白皮书》发布会上说，未来重大科学发现与重大创新，都可以通过计算手段得到快速地实现和解决。因此，加快发展超级计算，全面应用超级计算，对于我国科学研究、推动科技创新和促进经济社会高质量发展意义重大。我国超算实现“超常发展”“超算领域的竞争，就是科技实力与综合国力的竞争。”中国科学院计算技术计算研究所研究员张云泉说，我国从早初缺乏高性能计算机，到在高性能超级计算机研究取得重大突破，开发出曙光、天河、神威·太湖之光等超级计算机，再到先后建成天津、深圳、济南、长沙、广州、无锡等7个国家级超算中心，并快速走向多领域的应用，这是举国之力在超算研制、创新、应用领域，实现“超常发展”的重大创新。近10年来，面对发达国家超算的快速发展和对未来所带来的挑战，我国基于自主可控超算系统的软件与应用考虑，特别是为服务于国家特殊需要，服务于高新技术产业发展，重新布局超级计算机的研制工作。

其中，“神威·太湖之光”就是重点开展的一项重大科研任务。国家超级计算无锡中心主任杨广文教授介绍，超算由大量的计算节点组成，每个计算节点由一些CPU组成，计算节点由高速互联网络连接起来，当年还有大规模存储系统、系统软件、应用软件和冷却系统等。但是，我国几代超算人承上启下，凭借着“两弹一星”科学精神，创造出了不起的“奇迹”。至今，从天河二号到“神威·太湖之光”国产超级计算机，共10次拿下世界第一 。

以GPU闻名的英伟达希望在超算领域再次扩大应用领域。在2022国际超算会议(ISC)期间，英伟达公布多项超算领域进展，包括主要服务器厂商已采购英伟达CPU生产高性能服务器，以及基于其DPU产品强化量子计算能力等。“边缘、高性能计算和AI、模拟仿真、数字孪生和量子计算是现代超算应用的五大工作负载。”英伟达加速计算业务副总裁Ian Buck在ISC上发言称，从应用上看，已经有大量用户将高性能计算推向边缘端或在使用测试量子计算系统。

戈登贝尔奖由美国计算机协会(ACM)设立于 1987 年，是国际高性能计算应用领域最高奖，每年在超算领域顶级盛会“全球超级计算大会(Supercomputing Conference，简称SC)”上进行发布与颁奖。

SC是超算领域的顶级会议，国际影响力巨大，由SC国际超算大会组委会主办，每年举办一次，主要由展会和学术会议构成。

戈登贝尔奖主要颁发给高性能应用领域最杰出的成就，通常会由当年 TOP500 排行名列前茅的计算机系统应用获得，例如美国「泰坦」超级电脑、日本「京」超级计算机上的应用软件都曾获得此奖。成立近 30 年，该奖项一直由美国和日本的软件获得，直到 2016 年，中国研究团队打破了这一垄断。

今年的 SC21在美国密苏里州圣路易斯举行，来自中国的14人团队基于新一代神威超级计算机的算力，凭借“超大规模量子随机电路实时模拟(SWQSIM)”一举夺得冠军!

他们是来自之江实验室及国家超级计算无锡中心的刘勇、刘鑫、李芳、杨雨灵、宋佳伟、赵朋朋、王臻、彭达佳、陈华蓉，清华大学及国家超级计算无锡中心的付昊桓、陈德训，国家超级计算无锡中心的吴汶钊，上海量子科学研究中心的黄合良、郭楚。其中刘鑫、付昊桓、郭楚、陈德训为共同通信作者。

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SWQSIM如何打破“量子霸权”

今年我国共有三项超算应用入围戈登贝尔奖，除获奖团队应用外，另外两项应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行保辛结构电磁全动理学等离子体模拟”，这三项应用都曾在此前举行的2021全国高性能计算学术年会(HPC China 2021)上作报告。

今年的获奖项目为——弥合“量子霸权”：使用新神威超级计算机实现随机量子电路的实时模拟。在这项工作中，研究人员引入了一个系统的设计过程，涵盖了模拟所需的算法、并行化和系统架构。通过新一代神威超级计算机，研究团队有效模拟了一个深度为10x10 (1+40+1)随机量子电路。在模拟中，研究团队使用4190万核处理器实现了计算机1.2Eflops单精度或4.4Eflops混合精度性能。

在高性能计算领域，英伟达擅长的GPU通常作为特定应用的加速计算，即“协处理器”，而主处理器(CPU)仍为英特尔、AMD两大x86芯片厂商占有绝对份额。根据第59届全球超算前500强榜单公布的统计，英特尔为榜单中77.6%的超级计算机提供处理器，AMD的份额为18.6%。但英伟达最新推出的数据中心CPU“Grace”，有望改变这一现状，其基于Arm指令集开发，专为包括人工智能(AI)和高性能计算(HPC)应用而构建。

Grace一经推出，立即引起市场关注，被视为英伟达发力Arm生态之举。但英伟达频频降低调门，称与x86芯片制造商合作关系仍维持不变。此前，黄仁勋表态称，Grace将主要用于计算领域大型数据密集型细分市场：“在其他领域，例如云计算、企业级计算、边缘计算、工作站、个人电脑，我们会继续为x86平台提供支持。Grace不会对现有CPU厂商带来‘改变游戏规则’般的影响。”

目前，英伟达正加速推动Grace CPU生态。Ian Buck提及，戴尔，技嘉、慧与、浪潮、联想和超微等厂商，已经计划使用Grace CPU打造服务器。由慧与(HPE)制造、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)运营的Venado超级计算机，有望成为显现英伟达实力的例子。英伟达称，该新型超级计算机将提供10 exaflops的AI性能，主要研究材料科学和可再生能源等领域，通过英伟达的GPU、CPU和DPU，可将物理场计算应用的速度提高30倍。

付昊桓，现任国家超级计算无锡中心副主任、清华大学地学系长聘教授。“80后”的他，身上有个“超算青年”的标签。这个标签不简单：中国超算应用团队迄今共4次(含国际合作1次)摘得有着“超算应用领域的诺贝尔奖”之称的“戈登贝尔奖”，付昊桓3次深度参与其中。

去年11月，凭借打破谷歌所谓“量子霸权”的超算应用，我国一支14人组成的团队摘得2021年度“戈登贝尔奖”。1月18日，这一事件入选了由两院院士评选的“2021年度国内十大科技进展新闻”。

作为获奖团队代表，付昊桓于1月20日作客科学网直播间，在接受《中国科学报》独家访谈过程中，分享了该团队挑战这一应用背后的逸闻趣事。

付昊桓，现任国家超级计算无锡中心副主任、清华大学地学系长聘教授。“80后”的他，身上有个“超算青年”的标签。这个标签不简单：中国超算应用团队迄今共4次(含国际合作1次)摘得有着“超算应用领域的诺贝尔奖”之称的“戈登贝尔奖”，付昊桓3次深度参与其中。

去年11月，凭借打破谷歌所谓“量子霸权”的超算应用，我国一支14人组成的团队摘得2021年度“戈登贝尔奖”。1月18日，这一事件入选了由两院院士评选的“2021年度国内十大科技进展新闻”。

作为获奖团队代表，付昊桓于1月20日作客科学网直播间，在接受《中国科学报》独家访谈过程中，分享了该团队挑战这一应用背后的逸闻趣事。

《中国科学报》：近几年中国超算应用在“戈登贝尔奖”这一“舞台”大放异彩，你在几次获奖中也参与甚多。请先简要介绍下，这是一个什么样的奖项?

付昊桓：戈登贝尔奖最初是由戈登·贝尔1987年设立的一项鼓励并行计算应用的奖项，后来在2006年与国际计算机协会(ACM)合作，由后者负责奖项的管理与运维。

戈登贝尔奖强调的是，如何使用顶尖的超级计算机解决一个科学、工程或大规模数据分析的应用难题。这反映了超算的典型特点，逐渐成为高性能计算应用领域的标杆。

要冲击戈登贝尔奖，有两个重要的方面：是否调动了顶尖超级计算机全系统之力，是否解决了科学或工程等应用上的一个难题并有所创新。可以说，近年来我国超算的发展为我们提供了冲击这一奖项的必要条件。