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中国超算即将达到量子性能

2021-12-27 08:58:45 Sally Ward-Foxton 阅读:
在2021年全球超级计算大会(SC21)上,一支来自中国的团队摘得赫赫有名的戈登贝尔奖,该奖相当于超算领域的诺贝尔奖。该团队的论文描述了他们如何使用新型超级计算机来仿真随机量子电路。

在2021年全球超级计算大会(SC21)上,一支来自中国的团队摘得赫赫有名的戈登贝尔奖,该奖相当于超算领域的诺贝尔奖。该团队的论文“Closing the Quantum Supremacy Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Circuit Using a New Sunway Supercomputer”(缩小量子霸权差距:利用全新神威超级计算机实现随机电路的实时仿真)描述了他们如何使用新型超级计算机来仿真随机量子电路。70cednc

事实上,谷歌对其2019年研发出的悬铃木(Sycamore)量子计算机自称“量子霸权”,当时颇受争议,而此次中国团队采用的即为同一测试基准。谷歌曾声称,悬铃木量子计算机在200秒内能完成的计算任务,像顶点(Summit)这样的经典超级计算机需要一万年才能完成。这一说法当时就遭到IBM的批驳,认为真实数字可能只是2.5天。而最新的中国超级计算机结合了中国团队的算法研究,在304秒内就能完成相同的计算任务。看起来量子计算机似乎仍然比经典超级计算机稍胜一筹,但差距无疑在缩小。70cednc

据该论文描述,基于神威的超级计算机具有1.2ExaFLOPS的单精度性能。虽然这并没有从官方上证实中国所具备的Exascale性能的传闻(1.2ExaFLOPS为单精度,而“Exascale”这个术语则需要1ExaFLOPS的双精度性能),但这款新型超级计算机似乎确实是世界上最强大的超级计算机之一。尽管它尚未命名,但可以确定,这项研究采用了4190万个神威RISC处理器内核进行计算。70cednc

超算500强出炉

人们都对世界上首个Exascale系统翘首以待,但全球超算排行榜500强HPC基准测试结果显示,前十名几乎没有变化。中国并没有为其基于神威的新型超算系统报名参加评选,而2021年末上线的美国1.5ExaFLOPS系统Frontier(前沿)似乎也还没有准备好(图1)。70cednc

在中国新型超算和美国Frontier缺席的情况下,500强榜首仍然是卫冕冠军富岳(Fugaku),这个记录自2020年6月以来就一直保持着。这台日本超级计算机的HPL(高性能Linpack)基准分数为442PFLOPS,是排名第二的超级计算机Summit性能的三倍。70cednc

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图1:1.5ExaFLOPS的Frontier将成为美国第一个Exascale超算系统。(图片来源:美国橡树岭国家实验室)70cednc

事实上,前十名几乎没有变化,唯一的新晋者是排在第十位的微软Azure超级计算机Voyager-EUS2。该系统基于AMD Epyc Rome CPU和英伟达A100 GPU。70cednc

本轮值得注意的新晋者还包括四个俄罗斯的超算系统,排名位于19至43名之间。70cednc

总体而言,本轮竞赛中,中国进入500强的系统从186个下降到173个,而美国从123个增加到150个。70cednc

MLPerf HPC得分

大会还公布了AI基准测试套件MLPerf HPC的测试结果。这种基准测试专门用来衡量AI性能——AI在科学工作中的占比正变得越来越大。与上一轮提交相比,最佳基准测试结果提高了4至7倍,这表明,新一代超算无论是硬件、软件还是系统规模都有大幅的提升。70cednc

除了日本富岳由其基于Arm的CPU提供支持,没有使用加速器之外,其他所有提交都由英伟达的GPU加速器提供支持,具体包括P100、V100和A100。70cednc

英伟达还是CosmoFlow和DeepCAM基准测试中的赢家。CosmoFlow被用于根据宇宙学图像数据进行物理量的估计。最佳CosmoFlow测试结果为,采用1024个英伟达A100-SXM4-80GB GPU能够在8.04分钟内完成训练,而富岳则是用512个CPU在114.35分钟内对其进行管理。70cednc

DeepCAM被用于在气候仿真数据中识别飓风和大气流。在此,英伟达仍居魁首,这次使用了相同的GPU但数量翻倍,时间为1.67分钟。70cednc

美国劳伦斯伯克利国家实验室则跑赢了新的OpenCatalyst基准测试,他们采用了512个40GB版本相同的英伟达GPU,训练时间为111.86分钟。OpenCatalyst主要用于根据图的连通性预测分子构型的能量。提交人表示,将图形网络包含进来非常重要,因为它反映了材料科学和化学工作负载的最新技术水平。其计算特性不同于其他类型的神经网络,因为它们往往具有稀疏性,而且不同的数据集会导致网络具有不同的结构和连接性,这会导致负载的不均衡,从而使负载难以有效地并行。70cednc

另外,测试中还引入了新的性能指标——弱缩放模式意味着系统能够同时训练同一模型的多个实例。其目标是要捕获对共享资源(如存储系统和互连)的影响。70cednc

多裸片GPU

就在本届SC21大会之前,部分半导体公司发布了一些重要公告。70cednc

大会前不久,AMD推出了首款多裸片GPU。AMD Instinct MI200将包含两个GPU裸片,它们之间通过一种新的2.5D硅桥技术(高架扇出桥,EFB)连接。该公司表示,与嵌入式硅桥架构竞争技术不同,这项技术支持标准的衬底和组装技术。70cednc

MI200将是第一款基于AMD第二代CDNA2架构的GPU,该架构针对计算密集型HPC和AI工作负载进行了优化。与去年的第一代产品MI100相比,这款新器件尺寸大1.8 倍,拥有220个计算单元和880个矩阵内核。MI200还将拥有多达8个HBM2e内存堆栈,从而成为第一款具有128GB HBM2e内存的GPU。其内存容量是MI100的4.7倍,内存带宽是MI100的2.7倍。其FP64向量运算峰值性能为 47.9 TFLOPS,FP64矩阵数学峰值性能为95.7 TFLOPS。70cednc

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图2:AMD首款多裸片GPU MI200。(图片来源:AMD)70cednc

据透露,美国首个Exascale超级计算机Frontier就将采用AMD Instinct MI200 GPU。70cednc

“当我们去想我们这一代人所面临的最重要的挑战,例如能源转型、气候变化以及克服我们目前所面临的新冠疫情等问题时,Frontier将使我们能够利用由AMD处理器所驱动并提供支持的机器的能力来应对这些重要挑战。”美国橡树岭国家实验室(Frontier的所在地)的实验室主任Thomas Zacharia表示,“这使得MI200成为目前科学家们可利用的最强大的处理器。其单个GPU的性能就比目前美国最快超级计算机顶点的整个节点还要强大。”70cednc

Zacharia表示,Frontier将很快上线,并于明年年初提供给科学家。70cednc

仿真地球

英伟达首席执行官黄仁勋在英伟达GTC大会开幕主题演讲中透露,该公司将建造一台新的超级计算机 Earth 2,它将成为地球的数字孪生,主要用来仿真和预测气候的变化(图3)。黄仁勋还透露,Earth 2 将全部由英伟达出资开发,其规模将与英伟达内部的Selene超级计算机和用于医学研究的Cambridge-1 UK设备大致相同。他补充说,Earth 2的架构将使其成为“有史以来最节能的超级计算机”,不过,这台超算具体位于何处还待定。70cednc

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图3:Earth 2将致力于仿真和预测气候变化。(图片来源:英伟达)70cednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EE Times,参考链接:SC21: Chinese Supercomputer Approaches Quantum Performance,由Franklin Zhao编译。)70cednc

本文为《电子技术设计》2022年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里70cednc

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