展望量子與超算的融合發展

LRZ與聯想和英特爾合作的超級計算機SuperMUC-NG曾在2019年全球高性能計算機TOP500榜單中排名第9。圖片來源：萊布尼茨計算中心

萊瑟教授介紹LRZ的量子集成中心。記者 李山攝

位于慕尼黑附近的巴伐利亞科學院萊布尼茨計算中心（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與聯想和英特爾合作的超級計算機SuperMUC-NG曾在2019年全球高性能計算TOP500榜單中排名第9。現在，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—經典混合計算架構的發展。

近日，科技日報記者應邀走訪了萊布尼茨計算中心。

超算為科研提供強大助力

“成立61年來LRZ始終致力于向德國乃至歐洲大陸的科學研究及學術界專業人士提供高性能計算資源。”萊布尼茨計算中心副主任赫爾穆特·萊瑟教授向記者介紹說。LRZ是慕尼黑當地的大學和科研機構，特別是慕尼黑工大和慕尼黑大學的中央IT服務提供商，服務范圍包括12萬名大學生、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、生命科學等各種復雜領域的科學研究支持。其服務包括高性能計算、虛擬現實和可視化、量子計算、人工智能和大數據等。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。作為歐洲高級計算合作伙伴關系計劃的成員，其任務不僅是管理指數級的海量數據，還能快速處理和分析數據，加快科學研究的進展。

以LRZ很有特色的虛擬現實和可視化中心為例。分辨率超過820萬像素的3D Powerwall可用于復雜模型的分析；5面投影的CAVE則可模擬環境和3D模型創造一個虛擬空間，使用者在其中可獲得完全的沉浸感。據萊瑟介紹，近10年來，該中心完成了大約150個相關的項目，包括探索湍流如何塑造星際介質，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；以及巴伐利亞地質歷史或水文學的虛擬現實應用等。

聯想帶來高溫水冷技術

帶領記者參觀LRZ超級計算機等重要設施的過程中，萊瑟進一步介紹了超算系統 SuperMUC-NG的情況。2017年，聯想聯合英特爾向LRZ交付了擁有311040顆內核的超算系統，為計算中心提供了強大的實測峰值19.5PFlop/s的計算能力。2021年開始，三方繼續開展第二階段合作。LRZ選擇了帶有水冷技術的聯想NeXtScale System M5高密度服務器，配備3072個聯想NeXtScale nx360 M5 WCT計算節點。預計第二階段的計算節點性能將達到第一階段的4倍。

萊瑟特別談道了聯想提供的溫水水冷技術。SuperMUC-NG使用45℃的溫水進行冷卻。研究人員為此開發了一個單獨的冷卻回路，通過不使用任何額外的能源來降低水溫，可以進一步降低能源消耗。萊瑟強調說：“通過這樣的水冷技術，我們可降低數據中心整體能耗效率至1.1以下，并實現余熱再利用。”聯想提供的溫水水冷技術解決方案，可去除計算系統中約90%的熱量，相較于傳統的風冷技術節能約35%。同時，系統的余熱還能在冬季為辦公室供暖，使能源效率得到進一步提高。

談到LRZ未來的發展，萊瑟說：“LRZ正在進行下一臺超級計算機的準備工作。新系統將通過創新合作伙伴關系創建。目前聯想已成為被選中的兩家公司之一。”LRZ計劃在未來10年內推出比SuperMUC-NG強大5—10倍的超大規模系統ExaMUC。初步入選的兩家企業正與LRZ一起開發和優化原型。到2023年底，哪家公司最終為LRZ建造下一臺超級計算機將塵埃落定。除了國際環境和節能之外，與量子計算和人工智能的結合優勢或許也是LRZ重要的考量因素。

開發量子—經典混合計算架構

萊瑟說：“目前的量子計算機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算機集成到超級計算機中，并自動判斷這部分問題是否適合使用量子計算機。如果適合就將這部分問題發送給量子計算機；如果不適合，就把它們發送給經典的超級計算機。也就是說，長期目標是使用量子計算機作為超級計算機的加速組件。”此外，量子與經典混合的計算架構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，超算中心也可更好地為用戶提供量子計算服務。

2021年成立量子集成中心后，LRZ陸續獲得了Atos公司提供的量子學習機，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計劃先實現數字模擬量子計算機，然后將20個量子比特的量子計算機集成到下一代超級計算機中，到2026年將其中運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算機，有的是5個量子比特的量子計算機。我們會繼續建造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算機。軟件方面，我們目前正在簡化和優化量子編程框架軟件。”

至于什么時候可使用這樣的耦合系統？萊瑟坦言：“這很難說。樂觀者相信可在5年內。但我想這不會在未來5年內發生。我認為在15到20年之內能將量子計算機自動集成到超級計算機中。”一旦量子計算機可由超級計算機控制，將向實用性邁出重要一步，并且可以構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算的下一個重大飛躍。