中国超算夺得戈登贝尔奖 打破谷歌“量子霸权”

北京时间2021年11月18日凌晨，在全球超级计算大会（SC21）上，由之江实验室联合清华大学、国家超级计算无锡中心、上海量子科学研究中心组成的14人团队摘得素有超算界诺贝尔奖之称的“戈登贝尔奖”（Gordon Bell Prize）。

超算界的“诺贝尔奖”

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。

戈登贝尔奖主要颁发给高性能应用领域最杰出的成就，通常由当年 TOP500 排行名列前茅的计算机系统应用获得，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。

SC2021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“超大规模量子随机电路实时模拟（SWQSIM）”一举夺得冠军。

这14人团队的成员，分别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。

SWQSIM如何打破“量子霸权”

今年中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”。

此外，该软件还可在60小时内完成比“悬铃木”更复杂的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。刘鑫团队的工作表明：经典超级计算机也可以完成随机量子电路采样任务，因此谷歌所谓的“量子霸权”并不成立。

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。

中国哪些团队获过奖

“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。

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。

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。

清华连续4年蝉联冠军

根据官网消息，SC2021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。

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、北京大学、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。

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。

3位华人获得杰出新人奖

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。

尤洋博士是潞晨科技创始人、新加坡国立大学青年教授，2021年4月入选亚洲福布斯30岁以下精英榜。他的研究方向包括高性能计算、并行算法，以及机器学习，侧重于大规模深度学习训练算法的分布式优化。尤洋曾创造ImageNet训练速度的世界纪录，获得过国际并行与分布式处理大会（IPDPS）2015 的最佳论文奖， 2018 年国际并行处理大会（ICPP）最佳论文奖。

周池博士是深圳大学助理教授，她担任 SC21 的小组副主席和 SC22 的赛道副主席，在2018年获得深圳海外高素质人才奖。

以上所有奖项将在国际超算领域的顶级会议“全球超级计算大会（Supercomputing Conference，简称SC）”进行发布与颁奖。

为何出现越来越多“中国面孔”

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，我们对话了中国科学院深圳先进技术研究院冯圣中教授。

冯圣中教授是国家超级计算深圳中心主任、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，冯圣中教授参与了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，并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。冯圣中教授发表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。

冯圣中教授对中国近年在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：一是世界领先机器的应用，即技术的进步；二是大批新一代超算人才的成长；三是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”，冯圣中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，中国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。

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： 

一是科学上的意义。这次获奖的应用是“超大规模量子随机电路实时模拟”，该应用可在60小时内完成100量子比特40层深度的量子随机电路的单振幅模拟，304秒内完成谷歌“悬铃木”当年“量子霸权”问题的模拟（谷歌当年宣称，使用美国超级计算机Summit要得到类似的结果需要一万年）。这个成果有力的回击了量子计算机近期不断宣称的在特定问题上获得了对传统超算量子霸权的神话。

二是展示了中国超级计算机的实力。中美日都在冲击E级超级计算机（Exascale=10的18次方，每秒百亿亿次运算），海外已经有报道称中国已经率先研制出E级超算，而且有两台。但因为某些原因，中国并没有将最新的超算参加Top500排行榜，因此大家看到的还是日本的富岳排第一，中国的神威太湖之光排第四。而这一次的戈登贝尔奖，在标题上表明这项量子随机电路实时模拟工作是在“神威新一代超级计算机”上开展。不参加Top500排名，但用最新一代E级超算上的应用赢得一年一度的戈登贝尔奖，也算是一种凡尔赛了。

三是中国以前在超算领域“造强用弱”的局面开始扭转。今年我国共有3项超算应用入围戈登贝尔奖（全球共6个入围），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”。