2021戈登貝爾獎揭曉！中國超算應(yīng)用一舉奪冠，打破谷歌所謂“量子霸權(quán)”！

作者 | 杏花、莓酊

編輯 | 琰琰

北京時間2021年11月18日凌晨，在全球超級計算大會（SC21）上，由之江實驗室聯(lián)合清華大學(xué)、國家超級計算無錫中心、上海量子科學(xué)研究中心組成的14人團(tuán)隊摘得素有超算界諾貝爾獎之稱的“戈登貝爾獎”（Gordon Bell Prize）！

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超算界的“諾貝爾獎”

戈登貝爾獎由美國計算機(jī)協(xié)會（ACM）設(shè)立于 1987 年，是國際高性能計算應(yīng)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(jìn)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(xué)術(shù)會議構(gòu)成。

戈登貝爾獎主要頒發(fā)給高性能應(yīng)用領(lǐng)域最杰出的成就，通常會由當(dāng)年 TOP500 排行名列前茅的計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用獲得，例如美國「泰坦」超級電腦、日本「京」超級計算機(jī)上的應(yīng)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(tuán)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(tuán)隊基于新一代神威超級計算機(jī)的算力，憑借“超大規(guī)模量子隨機(jī)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(dá)佳、陳華蓉，清華大學(xué)及國家超級計算無錫中心的付昊桓、陳德訓(xùn)，國家超級計算無錫中心的吳汶釗，上海量子科學(xué)研究中心的黃合良、郭楚。其中劉鑫、付昊桓、郭楚、陳德訓(xùn)為共同通信作者。

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SWQSIM如何打破“量子霸權(quán)”

今年我國共有三項超算應(yīng)用入圍戈登貝爾獎，除獲獎團(tuán)隊?wèi)?yīng)用外，另外兩項應(yīng)用分別是“千萬核可擴(kuò)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(xué)等離子體模擬”，這三項應(yīng)用都曾在此前舉行的2021全國高性能計算學(xué)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(jī)實現(xiàn)隨機(jī)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(shè)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(jī)，研究團(tuán)隊有效模擬了一個深度為10x10 (1+40+1)隨機(jī)量子電路。在模擬中，研究團(tuán)隊使用4190萬核處理器實現(xiàn)了計算機(jī)1.2Eflops單精度或4.4Eflops混合精度性能。

據(jù)獲獎團(tuán)隊負(fù)責(zé)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(wù)相比，“頂點”需要一萬年完成同等復(fù)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(tuán)隊負(fù)責(zé)人劉鑫在HPC China 2021作報告

此外，該軟件還可在60小時內(nèi)完成比“懸鈴木”更復(fù)雜的1000多倍的量子電路模擬，實現(xiàn)100~400比特量子電路算法的單振幅和多振幅模擬，為未來量子計算的發(fā)展提供了堅實的模擬支撐。劉鑫團(tuán)隊的工作表明：經(jīng)典超級計算機(jī)也可以完成隨機(jī)量子電路采樣任務(wù)，因此谷歌所謂的“量子霸權(quán)”并不成立。

何為“量子霸權(quán)”？“量子霸權(quán)”是一個科學(xué)術(shù)語，與國際政治無關(guān)。它指的是量子計算機(jī)在某個問題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的計算機(jī)，這個詞由美國物理學(xué)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(dǎo)量子芯片“懸鈴木”?；谠撔酒?，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(qiáng)的經(jīng)典超級計算機(jī)“頂點”要得到類似的結(jié)果，則需要一萬年?；谶@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(yīng)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(jī)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。

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中國有哪些團(tuán)隊獲得過“戈登貝爾獎”

“戈登貝爾獎”設(shè)立于1987年，在2016年之前，美國、日本曾壟斷該獎項長達(dá)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(jī)器學(xué)習(xí)，將具有第一性原理精度的分子動力學(xué)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(zhǔn)度。這支隊伍由來自加州大學(xué)伯克利分校、北京應(yīng)用物理和計算數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心，普林斯頓大學(xué)的學(xué)者組成。獲獎團(tuán)隊8人中有7張中國面孔。

圖注：2020年戈登貝爾獎線上頒獎

• 2017年， 由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授付昊桓等帶領(lǐng)的團(tuán)隊，憑借基于“神威·太湖之光”超級計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力完成的“非線性地震模擬”獲得戈登貝爾獎。該成果由清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系、計算機(jī)系與山東大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心和國家超級計算無錫中心等共同完成。

圖注：2017年戈登貝爾獎頒獎現(xiàn)場

• 2016年，由中國科學(xué)院軟件研究所研究員楊超等人領(lǐng)銜的應(yīng)用成果“千萬核可擴(kuò)展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”一舉獲得戈登貝爾獎，實現(xiàn)了我國高性能計算應(yīng)用在此獎的零突破。此項成果中科院軟件所、清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心和國家超級計算無錫中心的聯(lián)合團(tuán)隊合作完成，戈登貝爾獎也由團(tuán)隊人員共同完成。

圖注：2016年戈登貝爾獎頒獎現(xiàn)場

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清華連續(xù)四年蟬聯(lián)SCC超算競賽冠軍！

根據(jù)官網(wǎng)消息，SC21國際大學(xué)生超算競賽總決賽結(jié)果已經(jīng)公布，華人團(tuán)隊攬獲雙料冠軍！其中，南方科技大學(xué)獲得SCC LINPACK基準(zhǔn)測試最高性能冠軍、清華大學(xué)超算團(tuán)隊獲得學(xué)生分組賽總冠軍！

• 南方科技大學(xué)獲獎團(tuán)隊成員：Tongzhou Gu ，Yiqi Zhang，Botian Xu，Yingwei Zheng，Bingzhen Wang，指導(dǎo)老師為Jing Fan

• 清華大學(xué)獲獎團(tuán)隊成員：Mingshuzhai，zeyu Song，Kaiyuan Rong，Yanyu Ren，Yuxi Zhu，Juncheng Cao，指導(dǎo)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(xué)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(xué)、佐治亞理工學(xué)院、波士頓大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、暨南大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)、南方科技大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、維克森林大學(xué)等海內(nèi)外頂級團(tuán)隊參賽。

該比賽旨在促進(jìn)大學(xué)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(yīng)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(xué)的一個多圖像、語義分割應(yīng)用CosmicTagger。對于大、高分辨率和稀疏的目標(biāo)標(biāo)簽，該網(wǎng)絡(luò)在感興趣的像素上的準(zhǔn)確率能夠達(dá)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(yīng)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(xùn)練收斂。參賽學(xué)生的任務(wù)就是在競賽中重新構(gòu)建、優(yōu)化和運行這個神秘的應(yīng)用程序。

從最終的比賽結(jié)果來看，南方科技大學(xué)團(tuán)隊在HPCG基準(zhǔn)上取得了10.4TFLOPS，高出第二名2.82TFLOPS.在IO500基準(zhǔn)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(xué)團(tuán)隊已連續(xù)第四年的斬獲SCC學(xué)生超算大賽冠軍，去年翟季冬帶領(lǐng)的團(tuán)隊更是奪得基準(zhǔn)最高性能、學(xué)生分組賽雙料總冠軍！

在SCC 2020競賽中，清華團(tuán)隊在LINPACK、HPCG、IO500三個經(jīng)典的基準(zhǔn)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(xué)蟬聯(lián)SC國際大學(xué)生超算競賽總冠軍！

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尤洋等三位華人獲得超算杰出新人獎

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(xué)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(xiàn)，并且可以為高性能計算的發(fā)展做出長期貢獻(xiàn)的優(yōu)秀青年學(xué)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(xué)的尤洋和深圳大學(xué)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(xué)甘霖老師于2018年獲此殊榮。今年除了高校和科研機(jī)構(gòu)的學(xué)者外，尤洋是該獎設(shè)立以來第一位來自國內(nèi)企業(yè)界的獲獎?wù)摺?/span>

Bing Xie博士是橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施 (OLCF) 的 HPC 研究科學(xué)家。

Bing Xie

尤洋博士是潞晨科技創(chuàng)始人、新加坡國立大學(xué)青年教授，2021年4月入選亞洲福布斯30歲以下精英榜。他的研究方向包括高性能計算、并行算法，以及機(jī)器學(xué)習(xí)，側(cè)重于大規(guī)模深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練算法的分布式優(yōu)化。尤洋曾創(chuàng)造ImageNet訓(xùn)練速度的世界紀(jì)錄，獲得過國際并行與分布式處理大會（IPDPS）2015 的最佳論文獎， 2018 年國際并行處理大會（ICPP）最佳論文獎。

尤洋

周池博士是深圳大學(xué)助理教授。她擔(dān)任 SC'21 的小組副主席和 SC'22 的賽道副主席。在2018年獲得深圳海外高素質(zhì)人才獎。

周池

以上所有獎項將在國際超算領(lǐng)域的頂級會議“全球超級計算大會（Supercomputing Conference，簡稱SC）”進(jìn)行發(fā)布與頒獎。

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SC上為何出現(xiàn)越來越多“中國面孔”

通過上文的復(fù)盤，不難發(fā)現(xiàn)“華人學(xué)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(xué)院深圳先進(jìn)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(dǎo)師，中國計算機(jī)學(xué)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(xué)軟件協(xié)會常務(wù)理事，中國計算機(jī)學(xué)會高性能計算專業(yè)委員會委員。作為課題負(fù)責(zé)人，參與863重大專項“曙光4000系列超級計算機(jī)”、國家自然科學(xué)基金重大專項“基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)計算環(huán)境”、中國科學(xué)院重大專項“生物信息處理專用機(jī)”項目。獲國家科技進(jìn)步二等獎1項、部委科技進(jìn)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(xué)。

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(jī)器的應(yīng)用，即技術(shù)的進(jìn)步；2. 大批新一代超算人才的成長； 3. 中國與國際學(xué)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(chǔ)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(yīng)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(chǔ)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(yīng)用隊伍不斷發(fā)展，為超算研究打下人才基礎(chǔ)。

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(jìn)行了解讀，他認(rèn)為華人團(tuán)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(tuán)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(xué)研究和中國超算發(fā)展的重要意義。（第四次為中美合作團(tuán)隊奪冠）

① 科學(xué)上的意義。這次獲獎的應(yīng)用是“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實時模擬”，該應(yīng)用可在60小時內(nèi)完成100量子比特40層深度的量子隨機(jī)電路的單振幅模擬，304秒內(nèi)完成谷歌“懸鈴木”當(dāng)年“量子霸權(quán)”問題的模擬（谷歌當(dāng)年宣稱，使用美國超級計算機(jī)Summit要得到類似的結(jié)果需要一萬年）。這個成果有力的回?fù)袅肆孔佑嬎銠C(jī)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(jī)的實力。中美日都在沖擊E級超級計算機(jī)（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(biāo)題上表明這項量子隨機(jī)電路實時模擬工作是在“神威新一代超級計算機(jī)”上開展。不參加Top500排名，但用最新一代E級超算上的應(yīng)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(qiáng)用弱”的局面開始扭轉(zhuǎn)。今年我國共有3項超算應(yīng)用入圍戈登貝爾獎（全球共6個入圍），除獲獎團(tuán)隊?wèi)?yīng)用外，另外兩項應(yīng)用分別是“千萬核可擴(kuò)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(xué)等離子體模擬”。

參考鏈接：

https://studentclustercompetition.us/2021/winners.html

https://tc.computer.org/tchpc/home-page/page-of-awards/

https://mp.weixin.qq.com/s/-1ejp8Q2ZFmYYG-liu_3sA

http://t.cn/A6xfLPIk

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