Cách siêu máy tính 'cổ' của Trung Quốc giải được hóa học lượng tử

Siêu máy tính Trung Quốc lập kỷ lục thế giới về mô phỏng lượng tử bằng AI.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt được một bước tiến vượt bậc cả về khoa học lẫn công nghệ, khi lần đầu tiên sử dụng thành công mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) trên siêu máy tính cổ điển Oceanlite để mô hình hóa hóa học lượng tử phức tạp ở quy mô phân tử thực.

Siêu máy tính Trung Quốc giải quyết điều bất khả thi không cần máy tính lượng tử

Theo báo cáo từ VastData, thành tựu của nhóm nghiên cứu Sunway đã vượt qua một rào cản tính toán khổng lồ. Từ trước đến nay, việc mô phỏng hành vi lượng tử của các phân tử - vốn có số trạng thái tương tác tăng theo cấp số nhân - được xem là bất khả thi đối với siêu máy tính cổ điển và là địa hạt riêng của máy tính lượng tử hoặc các phương pháp xấp xỉ bị giới hạn.

Vấn đề cốt lõi nằm ở việc mô tả 'hàm sóng', thứ xác định mọi cấu hình có thể có của một hệ lượng tử. Khi số lượng hạt (như electron) tăng lên, không gian trạng thái phình to đến mức không thể tính toán nổi.

Để giải quyết bài toán này, các nhà vật lý vài năm trước đã đề xuất một giải pháp táo bạo khi sử dụng trạng thái lượng tử mạng nơ-ron (NNQS), một dạng mô hình học máy, để xấp xỉ các cấu hình và chuyển động của electron. Phương pháp này hứa hẹn kết hợp khả năng mở rộng của AI với độ chính xác của cơ học lượng tử.

Trong thí nghiệm mang tính lịch sử này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một khung NNQS của riêng họ để mô phỏng một hệ thống phức tạp với 120 obitan spin. Họ đã huấn luyện một mạng nơ-ron để dự đoán vị trí có khả năng xuất hiện electron cao nhất, sau đó liên tục điều chỉnh mạng lưới cho đến khi nó khớp với mô hình năng lượng lượng tử thực sự của phân tử.

Thành công này không chỉ đến từ phần mềm. Các nhà khoa học đã thiết kế kiến trúc NNQS độc quyền để tối ưu hóa hoàn hảo cho phần cứng 'khủng' của siêu máy tính Oceanlite. Cỗ máy này sử dụng CPU Sunway SW26010-Pro 384 lõi, một kiến trúc độc đáo được thiết kế riêng cho tính toán hiệu năng cao (HPC).

Họ đã thiết kế một mô hình giao tiếp phân cấp tinh vi với các lõi quản lý điều phối công việc, trong khi 37 triệu lõi xử lý tính toán (CPE) hạng nhẹ thực hiện các phép tính lượng tử cục bộ. Một thuật toán cân bằng tải động cũng được tạo ra để đảm bảo không một lõi nào trong số 37 triệu lõi đó bị 'nhàn rỗi'.

Kết quả ngoạn mục là hệ thống đạt 92% khả năng mở rộng mạnh và 98% khả năng mở rộng yếu. Đây là mức hiệu quả cực cao, cho thấy sự đồng bộ hóa gần như hoàn hảo giữa phần mềm và phần cứng, một thành tựu lớn của cộng đồng siêu máy tính Trung Quốc.

Cho đến nay, đây là phép tính hóa học lượng tử do AI điều khiển lớn nhất từng được thực hiện trên một siêu máy tính cổ điển, đánh dấu một cột mốc quan trọng cho cả ngành AI và lượng tử của nước này.

Thành tựu này đã chứng minh các siêu máy tính hiện đại, khi được trang bị AI, hoàn toàn có thể được sử dụng cho các nghiên cứu vật lý lượng tử phức tạp. Tuy nhiên, vẫn còn câu hỏi bỏ ngỏ về hiệu quả thực sự (về mặt công sức và năng lượng tiêu thụ) của việc dùng một cỗ máy quy mô exascale như Oceanlite cho mục đích này.