作者 | 杏花、莓酊

戈登贝尔奖由美国计算机协会（ACM）设立于 1987 年，是国际高性能计算应用领域最高奖，每年在超算领域顶级盛会“全球超级计算大会（Supercomputing Conference，简称SC）”上进行发布与颁奖。

SC是超算领域的顶级会议，国际影响力巨大，由SC国际超算大会组委会主办，每年举办一次，主要由展会和学术会议构成。

戈登贝尔奖主要颁发给高性能应用领域最杰出的成就，通常会由当年 TOP500 排行名列前茅的计算机系统应用获得，例如美国「泰坦」超级电脑、日本「京」超级计算机上的应用软件都曾获得此奖。成立近 30 年，该奖项一直由美国和日本的软件获得，直到 2016 年，中国研究团队打破了这一垄断。

今年的 SC21在美国密苏里州圣路易斯举行，来自中国的14人团队基于新一代神威超级计算机的算力，凭借Closing the Quantum Supremacy Gap:Achieving Read-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer（简称SWQSIM，“超大规模量子随机电路实时模拟”）一举夺得冠军！

他们是来自之江实验室及国家超级计算无锡中心的刘勇、刘鑫、李芳、杨雨灵、宋佳伟、赵朋朋、王臻、彭达佳、陈华蓉，清华大学及国家超级计算无锡中心的付昊桓、陈德训，国家超级计算无锡中心的吴汶钊，上海量子科学研究中心的黄合良、郭楚。其中刘鑫、付昊桓、郭楚、陈德训为共同通信作者。

今年我国共有三项超算应用入围戈登贝尔奖，除获奖团队应用外，另外两项应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行保辛结构电磁全动理学等离子体模拟”，这三项应用都曾在此前举行的2021全国高性能计算学术年会（HPC China 2021）上作报告。

今年的获奖项目为——弥合“量子霸权”：使用新神威超级计算机实现随机量子电路的实时模拟。在这项工作中，研究人员引入了一个系统的设计过程，涵盖了模拟所需的算法、并行化和系统架构。通过新一代神威超级计算机，研究团队有效模拟了一个深度为10x10 (1+40+1)随机量子电路。在模拟中，研究团队使用4190万核处理器实现了计算机1.2Eflops单精度或4.4Eflops混合精度性能。

据获奖团队负责人刘鑫在HPC China 2021的介绍，与“悬铃木”200秒完成百万0.2%保真度采样任务相比，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，SWQSIM则可在304秒内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，打破其所宣称的“量子霸权”。

图注：团队负责人刘鑫在HPC China 2021作报告

何为“量子霸权”？“量子霸权”是一个科学术语，与国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机，这个词由美国物理学家John Preskill在2012年提出。由于“霸权”这个词让许多人观感不适，现在更经常把它称为“量子优越性”。

“量子霸权”一词最先由谷歌炒起来。2019年10月24日，谷歌在《自然》上发表一篇文章，称其开发出一款54量子比特数的超导量子芯片“悬铃木”。基于该芯片，谷歌对一个53比特、20深度的电路采样一百万次只需200秒。而目前最强的经典超级计算机“顶点”要得到类似的结果，则需要一万年。基于这一突破，谷歌宣称其率先实现了“量子霸权”。

可见，SC2021获奖应用的重大意义不仅在于打破所谓的“量子霸权”，而是证明了经典超级计算机的种种潜在可能，即使道路有点曲折，但超算的前景是光明的。

“戈登贝尔奖”设立于1987年，在2016年之前，美国、日本曾垄断该奖项长达近30年。2016年，中国在“戈登贝尔奖”上破冰后，随后又在2017年、2020年获此殊荣。

• 2020年，由中美合作的研究小组摘得戈登贝尔奖，他们使用HPC+AI+物理模型结合的方法，通过机器学习，将具有第一性原理精度的分子动力学模拟的极限提升至1亿的惊人数量，同时又确保了从头计算（ab initio）的高精准度。这支队伍由来自加州大学伯克利分校、北京应用物理和计算数学研究所、北京大学应用物理与技术研究中心，普林斯顿大学的学者组成。获奖团队8人中有7张中国面孔。

图注：2020年戈登贝尔奖线上颁奖

• 2017年， 由清华大学地球系统科学系副教授付昊桓等带领的团队，凭借基于“神威·太湖之光”超级计算机的强大计算能力完成的“非线性地震模拟”获得戈登贝尔奖。该成果由清华大学地球系统科学系、计算机系与山东大学、南方科技大学、中国科学技术大学、国家并行计算机工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心等共同完成。

图注：2017年戈登贝尔奖颁奖现场

• 2016年，由中国科学院软件研究所研究员杨超等人领衔的应用成果“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”一举获得戈登贝尔奖，实现了我国高性能计算应用在此奖的零突破。此项成果中科院软件所、清华大学、北京师范大学、国家并行计算机工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心的联合团队合作完成，戈登贝尔奖也由团队人员共同完成。

根据官网消息，SC21国际大学生超算竞赛总决赛结果已经公布，华人团队揽获双料冠军！其中，南方科技大学获得SCC LINPACK基准测试最高性能冠军、清华大学超算团队获得学生分组赛总冠军！

• 南方科技大学获奖团队成员：Tongzhou Gu ，Yiqi Zhang，Botian Xu，Yingwei Zheng，Bingzhen Wang，指导老师为Jing Fan

• 清华大学获奖团队成员：Mingshuzhai，zeyu Song，Kaiyuan Rong，Yanyu Ren，Yuxi Zhu，Juncheng Cao，指导教授为翟季冬

SC超算竞赛（Student Cluster Competition）与ASC超算竞赛和ISC超算竞赛并列为世界最具权威性的三大国际大学生超算竞赛，每年吸引着世界各国家和地区的众多高校参与。本次决赛有来自克莱姆森大学、佐治亚理工学院、波士顿大学、清华大学、北京大学、暨南大学、上海科技大学、南方科技大学、加州大学圣地亚哥分校、维克森林大学等海内外顶级团队参赛。

该比赛旨在促进大学生与工业界之间的联系，推动世界各地区超算青年人才交流和培养，提升超算应用水平和研发能力。

今年的赛题主要围绕高能微子物理学的一个多图像、语义分割应用CosmicTagger。对于大、高分辨率和稀疏的目标标签，该网络在感兴趣的像素上的准确率能够达到95%以上，比传统技术高出5倍。

然而，图像的高分辨率特性使得该应用程序的计算成本很高，并且在没有高性能集群的情况下很难训练收敛。参赛学生的任务就是在竞赛中重新构建、优化和运行这个神秘的应用程序。

从最终的比赛结果来看，南方科技大学团队在HPCG基准上取得了10.4TFLOPS，高出第二名2.82TFLOPS.在IO500基准上获得8.70的成绩。

更多SCC 比赛成绩：http://sc21.studentclustercompetition.us/d/a2naO02Mz/scc-21?orgId=1

AI科技评论注意到，清华大学团队已连续第四年的斩获SCC学生超算大赛冠军，去年翟季冬带领的团队更是夺得基准最高性能、学生分组赛双料总冠军！

在SCC 2020竞赛中，清华团队在LINPACK、HPCG、IO500三个经典的基准测试赛题中，以绝对优势排名第一，其中清华高性能计算研究所自主研制的MadFS在IO500上取得143.73分的成绩，是第二名的5倍多。相关报道可参AI科技评论报道：奋战三天三夜，清华大学蝉联SC国际大学生超算竞赛总冠军！

超算杰出新人奖（IEEE CS TCHPC Early Career Researchers Award for Excellence in HighPerformance）由目前全球最大的非营利性专业技术学会，国际电气和电子工程师协会（IEEE）发起，每年举办一次，在全球范围内表彰不超过3人，仅授予在博士毕业5年之内，已在高性能计算领域做出有影响力的卓越贡献，并且可以为高性能计算的发展做出长期贡献的优秀青年学者。

2021年 IEEE CS TCHPC 超算杰出新人奖由来自橡树岭国家实验室的Bing Xie、新加坡国立大学的尤洋和深圳大学的周池获得。超算杰出新人奖一直被欧美的国家级实验室和高校所垄断，在此之前，仅有清华大学甘霖老师于2018年获此殊荣。今年除了高校和科研机构的学者外，尤洋是该奖设立以来第一位来自国内企业界的获奖者。

Bing Xie博士是橡树岭国家实验室 (ORNL) 橡树岭领导力计算设施 (OLCF) 的 HPC 研究科学家。

Bing Xie

尤洋

周池

通过上文的复盘，不难发现“华人学者逐渐在SC上崭露头角”，针对此现象，AI科技评论对话了中国科学院深圳先进技术研究院冯圣中教授。

冯圣中，国家超级计算深圳中心主任，教授，博士生导师，中国计算机学会杰出会员，国家高性能计算重点专项总体组专家，中国数学软件协会常务理事，中国计算机学会高性能计算专业委员会委员。作为课题负责人，参与863重大专项“曙光4000系列超级计算机”、国家自然科学基金重大专项“基于网络的科学计算环境”、中国科学院重大专项“生物信息处理专用机”项目。获国家科技进步二等奖1项、部委科技进步奖多项，获首届“春晖杯”创新创业大赛一等奖。发表SCI/EI收录论文30余篇。主要研究方向为高性能计算、网格计算、生物信息学。

冯教授对中国近年在SC上获奖频繁一事分享一些个人观点，在他看来主要有三方面的原因：1. 世界领先机器的应用，即技术的进步；2. 大批新一代超算人才的成长； 3. 中国与国际学术科技的交流不断深入。此外，也离不开国家政策的重视程度、科研水平的提升以及社会对基础科研的需求增加等因素。

至于“中国超算的春天是否已来临”，冯教授也谈了一些个人看法，他觉得中国超算的春天应该是来了，原因跟上述提到的几点大致相同。第一，之前更注重基础科研，现在对产业创新的要求不断提高，对超算的需要也愈加旺盛；第二，经过多年积累，国内的超算应用队伍不断发展，为超算研究打下人才基础。

除此之外，也有业内人士为AI科技评论从另一个角度进行了解读，他认为华人团队多次夺冠也许与“不计成本的算力投入”有关，国外很少做如此大算力的单项课题。

AI科技评论注意到，截至发稿前，中国团队第四次荣获戈登贝尔奖的消息已经在社交媒体上引起广泛关注，中科院计算所包云岗老师第一时间发文表示了祝贺，并从三个方面分析了此次获奖对科学研究和中国超算发展的重要意义。（第四次为中美合作团队夺冠）

http://t.cn/A6xfLPIk

Yong, Liu, Xin, Liu, Fang, Li,Haohuan Fu,Yuling Yang,Jiawei Song,Pengpeng Zhao,Zhen Wang,Dajia Peng,Huarong Chen,Chu Guo,Heliang Huang,Wenzhao Wu,Dexun Chen from arxiv, 18 pages, 13 figures We develop a high-performance tensor-based simulator for random quantum circuits(RQCs) on the new Sunway supercomputer. Our major innovations include: (1) a near-optimal slicing scheme, and a path-optimization strategy that considers both complexity and compute density; (2) a three-level parallelization scheme that scales to about 42 million cores; (3) a fused permutation and multiplication design that improves the compute efficiency for a wide range of tensor contraction scenarios; and (4) a mixed-precision scheme to further improve the performance. Our simulator effectively expands the scope of simulatable RQCs to include the 10*10(qubits)*(1+40+1)(depth) circuit, with a sustained performance of 1.2 Eflops (single-precision), or 4.4 Eflops (mixed-precision)as a new milestone for classical simulation of quantum circuits; and reduces the simulation sampling time of Google Sycamore to 304 seconds, from the previously claimed 10,000 years.

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。

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。

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。

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）。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图2：AMD首款多裸片GPU MI200。（图片来源：AMD）

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

“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。”

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

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。

图3：Earth 2将致力于仿真和预测气候变化。（图片来源：英伟达）

（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。）

清华大学第三次斩获“戈登·贝尔”奖  https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/89018.htm

清华超算团队作为核心成员之一，第三次获得该奖。清华团队的主要贡献包括研究框架的设计和梳理，以及量子电路模拟中复杂tensor的性能优化。

获奖项目

研究团队基于新一代神威超级计算机，研发了量子计算模拟器SWQSIM，提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法，可高效扩展至数千万核并行规模，并提供每秒4.4百亿亿次的持续计算性能，是超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能。与“悬铃木”200秒完成0.2%保真度的百万采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，SWQSIM则可在304秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，打破其所宣称的量子霸权；该软件还可在60小时内完成比“悬铃木”更加复杂的1000多倍的量子电路模拟，实现100～400比特量子电路算法的单振幅和多振幅模拟，为未来量子计算的发展提供了坚实的模拟支撑。

付昊桓（左二）与吴汶钊（右一）等团队成员讨论优化方案

该工作的共同通信作者，清华大学地球系统科学系教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍说，“目前的复杂量子电路，保真度还比较低。以谷歌的悬铃木系统为例，一百万个样本中，仅能保证两千个左右的有效样本。像SWQSIM这样，具备近实时的模拟能力的量子电路模拟器，可以为量子计算机未来的发展提供强大助力。另外一方面，对于传统超算而言，新型量子计算机所形成的‘量子霸权’，就如我们论文里写到的，是‘他山之石，可以攻玉’。在传统超算上实现这样一个复杂度极高的问题，触发了团队在算法、并行方法、优化方法等等各个方面的创新。当然，我们更看重的，是真正建立了最先进的量子计算机和最先进的超算之间的桥梁，让它们可以相互促进，甚至相互融合。”

吴汶钊表示，此次获奖的研究成果，超越了现阶段随机量子电路模拟的世界最好水平，体现了新一代神威超算的实力，对于支持未来量子系统的研发，加速实现更复杂、更实用的量子计算系统的设计和过程具有重要意义。吴汶钊曾是清华大学地学系的一名硕士研究生，由付昊桓指导，毕业后赴国家超级计算无锡中心工作。自2020年开始负责神威平台深度学习框架的开发工作。提及所学知识与实践应用的关系时，吴汶钊提到，“在地学系学习期间，系里一直鼓励学科交叉，让我可以将所学知识不断尝试运用至新的领域中。”

“戈登·贝尔奖”是国际高性能计算应用领域的最高奖项，2016年、2017年，付昊桓参与的大气动力方程求解器以及领衔的非线性地震模拟工作，因高效实现了模型的大规模并行扩展，并大幅提升了时空分辨率和关键现象刻画能力，实现了中国近30年来在这个奖项上零的突破和蝉联。