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作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/27 11:36:50
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“两院院士评选国内/国际十大科技进展”直播报道系列
打破“量子霸权”的超算应用是怎样炼成的?
“超算青年”付昊桓回应:量子计算的发展不会冲击超算

 

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+神威的副本.jpg

付昊桓 本人供图

获奖背后有许多无名英雄

《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。

《中国科学报》:在2016、2017、2021这几年的戈登贝尔奖中都有你的身影,可以说是“常客”了。能否总结一下有哪些获奖的诀窍?

付昊桓:首先我觉得我非常幸运,能够遇到这些优秀的合作者。以2021年度为例,我们是一个14人组成的团队,领域非常交叉。很多超算应用其实都是很复杂的问题,要取得突破需要多学科交叉思维,需要不同领域专家的共同参与。其实我们每一年去冲击戈登贝尔奖的应用背后,都有多家单位合作。

在交叉问题挑战的基础上,我们还要实现应用模型在超算上的高效运转,这是超算上下层的“交叉”。比如“神威·太湖之光”是全球第一台每秒10亿亿次浮点运算能力的超算,它有上千万核。而要协调千万核去做一件事,需要高度系统性的设计与实现。

当然,我们能够冲击戈登贝尔奖最大的基础,在于我国超算系统有了一个长足的发展,在硬件层面实现了许多科学和工程上的突破。可以说,超算硬件研制方、系统维护方等等都在背后起到了非常大的作用、作出了自己的贡献。所以,戈登贝尔奖是属于大家的、也属于中国超算背后的无名英雄们。

挑战“量子霸权”是“在别人划定的战场去对垒”

《中国科学报》:你们团队摘得2021年度戈登贝尔奖的超算应用,听上去很震撼:打破了谷歌当年所宣称的“量子霸权”。团队当初为何要去做对标量子计算的这个超算模拟?

付昊桓:首先,“量子霸权”现在被越来越多地翻译成“量子优越性”。从计算的视角来看,量子计算机在一些特定的场景下,能体现出对超级计算机的巨大优势,随机量子线路采样就是其中一个。

谷歌量子计算机“悬铃木”问世的时候,宣称它随机量子线路的采样速度,比当时最快超级计算机(美国“顶点”超算)快10亿倍,实现同等规模的采样所用时间,是200秒对“一万年”。这个数字很吓人,以至于谷歌当初提出“量子霸权”的时候,很多人过来问我,说超算还是不是超级计算机?是超级慢吗?

《中国科学报》:所以研究团队有必要去对标它。

付昊桓:我们为什么选择这个题目来做?首先我们觉得量子计算机是一种非常有潜力的计算范式,但它也需要传统计算机的模拟支撑。比如谷歌“悬铃木”的采样,它在量子尺度的操控在多个量子位叠加之后,有很大误差,保真度只有0.2%左右。用超算模拟出来一个采样结果,可以为量子计算机的结果提供一个对比标准。事实上,它也确实需要这样一个比照。

其实选这样一个题,也是极富挑战的——毕竟要在“别人划定的战场去对垒”,不过我们觉得做出来的话,对超算的算法和应用也有促进作用。事实也正是如此,我们在题目中用到的张量网络收缩技术可以用于其他很多领域。另外,我们也顺带手地证明了,超算还是很快的。

论文题目曾修改八次,作者英文名有“谐音梗”

《中国科学报》:用超算挑战量子计算机。你们是不是也倍感压力?

付昊桓:其实对于我们的应用能不能实现,从开始的时候心里是没底的。你可能想象不到,我们当时投稿的那篇论文,光题目就修改了八次。

最终论文题目的表述是“Closing the ‘Quantum Supermacy’ Gap”(可译为:“弥合‘量子霸权’鸿沟”)。但起初我们不是这个题目,最开始是“Measuring the ‘Quantum Supermacy’ Gap”(可译为:“丈量‘量子霸权’鸿沟”),后来改成了“What is exactly…”,还改成过“Minimizing the ‘Quantum Supermacy’ Gap” (可译为:“缩小‘量子霸权’鸿沟”)。后来我们一步步做起来,才确定了最后的题目。现在想想,这个过程还是挺有意思的。

《中国科学报》:在这个过程中,还有哪些让你难忘的趣事?

付昊桓:有很多。比如我们当时论文发表时,特地保留了前三位作者的英文名,分别是Alexander、Lucy、Nancy,他们分别是我们的首席软件架构师刘勇博士、团队负责人刘鑫博士和同样来自无锡超算的团队成员李芳博士。这三位的英文名翻译成中文的谐音分别是“亚历山大”(谐音“压力山大”)、“露西”(谐音“路兮”,取自“路漫漫其修远兮”)、“南希”(谐音“难兮?”)。

保留这3个有“谐音梗”的英文名,我们觉得这是对团队在这个过程中不断探索的一个生动反映。其实我们这个交叉团队也正是在这种探索中逐渐形成和展开合作的。

我在刚刚加入团队的时候,还去清华大学的图书馆借了好几本讲量子计算的教材,在网上找了一些教程,学习了很多新东西。我们最终的设计,也借鉴了后阿里达摩院的量子计算团队、中科院理论物理所的张潘老师团队等很多同领域的工作。

量子计算不会冲击超算,二者有合作潜能

《中国科学报》:量子计算机的发展会冲击超级计算机的发展吗?

付昊桓:量子计算机的发展谈不上、也不会冲击超算的发展,两者的发展是并行不悖的。

如前述所言,我们的超算应用证明了确实有能力做量子计算所擅长的问题的模拟,也正表明了超算的算法模拟能够为量子计算的发展提供一定的辅助和促进。这也正是我们的初衷,否则量子计算的专家(参与团队中有上海量子科学研究中心)也不会参与到我们这个项目中来。

《中国科学报》:你们摘得2021年度“戈登贝尔奖”的应用中,是否启示了量子计算跟传统超算有相互促进的态势?

付昊桓:没错。相比于所谓的“冲击”,其实我们更关注在可见的未来,有可能实现超算系统与量子计算之间的连接或互动。

从我们超算应用的结果来看,二者之间速度差异没有“传说”中那么大,这也给我们信心觉得,超算跟量子计算存在合作的潜能。现在我们知道的是,量子计算在一些特定场景有优势,超算也有它擅长的领域,如果两者互补,会有更多更有意思的东西出来。

快问快答:

Q1、你在超算模拟地震方面做了很多工作,超算能预报地震吗?

A:不能,但模拟地震对于我们了解地质结构及活动有很大帮助。

Q2、汤加海底火山爆发引世界瞩目,超算能模拟它的影响吗?

A:现在已经有气候领域的同行给出相应的估算,目前看可能对气候影响不会太大。

Q3、获得“戈登贝尔奖”意外吗?获知得奖后第一时间是与谁分享的?

A:每一次都很激动,毕竟每个入围的都有可能。第一时间把这个消息以照片的形式发送到了团队的项目合作群。

Q4、成果被两院院士评选为“2021年度国内十大科技进展新闻”,最想表达的是什么?

A:感谢不同领域的科学家对这项工作的认可。

Q5、中国超算未来发展的两个关键词?

A:自主可控、交叉人才培养。

 
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