【走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室】

◎本報(bào)駐德國記者 李 山

(資料圖片僅供參考)

位于慕尼黑附近的巴伐利亞科學(xué)院萊布尼茨計(jì)算中心(LRZ)是德國最著名的超算中心之一。作為德國高斯超算中心的重要組成部分，LRZ與聯(lián)想和英特爾合作的超級計(jì)算機(jī)SuperMUC-NG曾在2019年全球高性能計(jì)算TOP500榜單中排名第9。現(xiàn)在，LRZ致力于用量子處理器作為超算的加速器，推動前沿的量子—經(jīng)典混合計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展。

近日，科技日報(bào)記者應(yīng)邀走訪了萊布尼茨計(jì)算中心。

超算為科研提供強(qiáng)大助力

“成立61年來LRZ始終致力于向德國乃至歐洲大陸的科學(xué)研究及學(xué)術(shù)界專業(yè)人士提供高性能計(jì)算資源?！比R布尼茨計(jì)算中心副主任赫爾穆特·萊瑟教授向記者介紹說。LRZ是慕尼黑當(dāng)?shù)氐拇髮W(xué)和科研機(jī)構(gòu)，特別是慕尼黑工大和慕尼黑大學(xué)的中央IT服務(wù)提供商，服務(wù)范圍包括12萬名大學(xué)生、27000多名雇員和1900多位教授。

萊瑟談道，LRZ可為用戶提供橫跨天體物理、流體力學(xué)、生命科學(xué)等各種復(fù)雜領(lǐng)域的科學(xué)研究支持。其服務(wù)包括高性能計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化、量子計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等。LRZ引以為傲的研究成果包括完成影響巨大的蘇門答臘地震和海嘯的模擬。作為歐洲高級計(jì)算合作伙伴關(guān)系計(jì)劃的成員，其任務(wù)不僅是管理指數(shù)級的海量數(shù)據(jù)，還能快速處理和分析數(shù)據(jù)，加快科學(xué)研究的進(jìn)展。

以LRZ很有特色的虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化中心為例。分辨率超過820萬像素的3D Powerwall可用于復(fù)雜模型的分析；5面投影的CAVE則可模擬環(huán)境和3D模型創(chuàng)造一個虛擬空間，使用者在其中可獲得完全的沉浸感。據(jù)萊瑟介紹，近10年來，該中心完成了大約150個相關(guān)的項(xiàng)目，包括探索湍流如何塑造星際介質(zhì)，從而幫助恒星和行星的形成；人體動脈和靜脈中的血液流動的模擬；以及巴伐利亞地質(zhì)歷史或水文學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等。

聯(lián)想帶來高溫水冷技術(shù)

帶領(lǐng)記者參觀LRZ超級計(jì)算機(jī)等重要設(shè)施的過程中，萊瑟進(jìn)一步介紹了超算系統(tǒng) SuperMUC-NG的情況。2017年，聯(lián)想聯(lián)合英特爾向LRZ交付了擁有311040顆內(nèi)核的超算系統(tǒng)，為計(jì)算中心提供了強(qiáng)大的實(shí)測峰值19.5PFlop/s的計(jì)算能力。2021年開始，三方繼續(xù)開展第二階段合作。LRZ選擇了帶有水冷技術(shù)的聯(lián)想NeXtScale System M5高密度服務(wù)器，配備3072個聯(lián)想NeXtScale nx360 M5 WCT計(jì)算節(jié)點(diǎn)。預(yù)計(jì)第二階段的計(jì)算節(jié)點(diǎn)性能將達(dá)到第一階段的4倍。

萊瑟特別談道了聯(lián)想提供的溫水水冷技術(shù)。SuperMUC-NG使用45℃的溫水進(jìn)行冷卻。研究人員為此開發(fā)了一個單獨(dú)的冷卻回路，通過不使用任何額外的能源來降低水溫，可以進(jìn)一步降低能源消耗。萊瑟強(qiáng)調(diào)說：“通過這樣的水冷技術(shù)，我們可降低數(shù)據(jù)中心整體能耗效率至1.1以下，并實(shí)現(xiàn)余熱再利用?！甭?lián)想提供的溫水水冷技術(shù)解決方案，可去除計(jì)算系統(tǒng)中約90%的熱量，相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)節(jié)能約35%。同時，系統(tǒng)的余熱還能在冬季為辦公室供暖，使能源效率得到進(jìn)一步提高。

談到LRZ未來的發(fā)展，萊瑟說：“LRZ正在進(jìn)行下一臺超級計(jì)算機(jī)的準(zhǔn)備工作。新系統(tǒng)將通過創(chuàng)新合作伙伴關(guān)系創(chuàng)建。目前聯(lián)想已成為被選中的兩家公司之一?！盠RZ計(jì)劃在未來10年內(nèi)推出比SuperMUC-NG強(qiáng)大5—10倍的超大規(guī)模系統(tǒng)ExaMUC。初步入選的兩家企業(yè)正與LRZ一起開發(fā)和優(yōu)化原型。到2023年底，哪家公司最終為LRZ建造下一臺超級計(jì)算機(jī)將塵埃落定。除了國際環(huán)境和節(jié)能之外，與量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合優(yōu)勢或許也是LRZ重要的考量因素。

開發(fā)量子—經(jīng)典混合計(jì)算架構(gòu)

萊瑟說：“目前的量子計(jì)算機(jī)適用于解決非常特定類別的問題。但是，它并不適合所有問題。解決的辦法是將量子計(jì)算機(jī)集成到超級計(jì)算機(jī)中，并自動判斷這部分問題是否適合使用量子計(jì)算機(jī)。如果適合就將這部分問題發(fā)送給量子計(jì)算機(jī)；如果不適合，就把它們發(fā)送給經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)。也就是說，長期目標(biāo)是使用量子計(jì)算機(jī)作為超級計(jì)算機(jī)的加速組件?！贝送?，量子與經(jīng)典混合的計(jì)算架構(gòu)還有望解決目前量子處理器仍然存在的噪聲、退相干等難題。通過云服務(wù)，超算中心也可更好地為用戶提供量子計(jì)算服務(wù)。

2021年成立量子集成中心后，LRZ陸續(xù)獲得了Atos公司提供的量子學(xué)習(xí)機(jī)，以及芬蘭IQM公司提供的首批3個量子處理器和一套冷卻裝置。LRZ計(jì)劃先實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬量子計(jì)算機(jī)，然后將20個量子比特的量子計(jì)算機(jī)集成到下一代超級計(jì)算機(jī)中，到2026年將其中運(yùn)行的量子處理器的大小增加到100個量子比特。萊瑟說：“目前我們還沒有20個量子比特的量子計(jì)算機(jī)，有的是5個量子比特的量子計(jì)算機(jī)。我們會繼續(xù)建造20個量子比特、50個量子比特，然后是100個量子比特的量子計(jì)算機(jī)。軟件方面，我們目前正在簡化和優(yōu)化量子編程框架軟件?！?/p>

至于什么時候可使用這樣的耦合系統(tǒng)？萊瑟坦言：“這很難說。樂觀者相信可在5年內(nèi)。但我想這不會在未來5年內(nèi)發(fā)生。我認(rèn)為在15到20年之內(nèi)能將量子計(jì)算機(jī)自動集成到超級計(jì)算機(jī)中?！币坏┝孔佑?jì)算機(jī)可由超級計(jì)算機(jī)控制，將向?qū)嵱眯赃~出重要一步，并且可以構(gòu)建和配置額外的組件或軟件。LRZ及其研究合作伙伴期待著超級計(jì)算的下一個重大飛躍。

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