Wie KI, Quanten- und klassisches Rechnen Supercomputer neu gestalten

(Dan Tri) - Jack Dongarra, bekannt als der "Vater der Supercomputer und wissenschaftlichen Software", hat soeben eine vielversprechende Zukunft für das Hochleistungsrechnen skizziert.

Als Gewinner des Turing Awards 2021 (auch bekannt als Nobelpreis der Informatik) und einer der Gründer der Top 500 Liste, die die leistungsstärksten Supercomputer der Welt auflistet, sind Dongarras Ansichten über die Zukunft des Supercomputings wichtige Orientierungshilfen sowohl für die wissenschaftliche Gemeinschaft als auch für die gesamte Industrie.

Hybridcomputer – Lösungen für die Zukunft

Laut Dongarra wird die nächste Generation von Supercomputern nicht einfach nur ein traditionelles Hardware-Upgrade sein, sondern eine clevere Kombination aus klassischen Computersystemen mit Quantentechnologie und künstlicher Intelligenz (KI).

Dies wird als entscheidender Schritt angesehen, um die aktuellen Grenzen des Mooreschen Gesetzes zu überwinden, da die Miniaturisierung von Transistoren beinahe eine physikalische Grenze erreicht hat.

Dongarra betont, dass die Zukunft des Supercomputing nicht darin liegt, klassische Systeme vollständig durch Quantencomputer zu ersetzen, sondern in einer harmonischen Kombination beider.

Er beschreibt dieses Hybridsystem als eine mehrschichtige Rechenmaschine, in der jede Komponente Aufgaben übernimmt, die ihren Eigenschaften am besten entsprechen.

In Dongarras Vision würden Quantenprozessoren (QPUs) als „spezialisierte Beschleuniger“ für komplexe Optimierungsprobleme fungieren, insbesondere bei Molekülsimulationen zur Entdeckung neuer Medikamente oder Materialien.

Diese Probleme sind exponentiell komplex und daher selbst für die leistungsstärksten Supercomputer von heute unlösbar. Quantencomputer hingegen, die Quantenüberlagerungs- und Verschränkungseffekte nutzen können, sind in der Lage, sie wesentlich effizienter zu bewältigen.

Herkömmliche CPUs und GPUs werden weiterhin die Hauptrechenaufgaben übernehmen, große Datenmengen verarbeiten und KI-Algorithmen ausführen. Diese sinnvolle Arbeitsteilung optimiert nicht nur die Leistung, sondern trägt auch dazu bei, die Stärken der jeweiligen Prozessortypen optimal zu nutzen.

Eine der einzigartigsten Perspektiven Dongarras betrifft die Rolle der KI im zukünftigen Supercomputersystem. Er sieht KI nicht einfach als eine Anwendung, die auf einem Supercomputer läuft, sondern als den „Klebstoff“, der das gesamte System verbindet und koordiniert.

Jack Dongarra spielte eine Schlüsselrolle im Bereich des Hochleistungsrechnens (Foto: US-Energieministerium).

Laut Dongarra wird KI Supercomputer in Echtzeit optimieren, indem sie mithilfe prädiktiver Modellierungstechniken Ressourcen intelligent zuweist. Das System wird automatisch entscheiden können, wann klassische Prozessoren eingesetzt und wann auf QPUs umgeschaltet werden soll und wie diese für optimale Effizienz koordiniert werden.

Diese Vision wird durch zahlreiche wegweisende Projekte verwirklicht.

Der Halbleiterriese Nvidia und Quantum Machines haben soeben das DGX Quantum-System vorgestellt, das einen Quantencontroller in nur wenigen Mikrosekunden eng mit einem KI-Superchip verbindet.

Das System ermöglicht Quantenfehlerkorrektur in Echtzeit und KI-basierte Kalibrierung des Quantenprozessors und eröffnet damit neue Möglichkeiten für hybride quantenklassische Anwendungen.

Neue Herausforderungen im globalen Technologiewettlauf

Dongarra scheute sich auch nicht, die Herausforderungen anzusprechen, vor denen die Supercomputing-Branche steht, wie etwa den Mangel an Forschungsgeldern und den internationalen Wettbewerbsdruck, insbesondere aus China.

Chinas jüngste Fortschritte auf diesem Gebiet, wie etwa der Quantencomputer Jiuzhang, der Aufgaben 180 Millionen Mal schneller erledigen kann als der leistungsstärkste Supercomputer, oder der Quantenprozessor Zuchongzhi 3.0 mit 105 Qubits, haben für die westlichen Länder einen Weckruf ausgelöst.

Chinas Quantencomputer Jiuzhang kann Aufgaben 180 Millionen Mal schneller erledigen als der leistungsstärkste Supercomputer (Foto: Spectrum).

Die Verleihung des diesjährigen Jack Dongarra Early Career Award an Dr. Lin Gan von der Tsinghua-Universität (China) für seine Beiträge zu HPC-Algorithmen, die klassische und Quantensysteme verbinden, unterstreicht den globalen Charakter dieses Wettlaufs.

Dongarra forderte eine verstärkte internationale Zusammenarbeit durch Organisationen wie North American Artificial Intelligence (NAAI), der er kürzlich beigetreten ist, um die ethische Integration von KI in Supercomputer zu fördern.

Dongarra verweist auf ebenso wichtige Herausforderungen bei der Entwicklung von Humanressourcen. Es herrscht weiterhin ein enormer Mangel an Fachkräften mit interdisziplinärer Expertise in den Bereichen KI, Quantencomputing und HPC.

Während Initiativen wie das Texas Quantum Program den Talentpool erweitern, ist eine flächendeckende Einsatzbereitschaft noch in weiter Ferne.

Darüber hinaus erfordert die Integration von KI, HPC und Quantentechnologien in einheitliche Arbeitsabläufe eine komplexe Infrastrukturkoordination, die die Implementierung verlangsamt. Auch die Cybersicherheitsprobleme werden dadurch verschärft, dass diese Hybridsysteme von verschiedenen Seiten angegriffen werden können.

Bahnbrechende Anwendungen warten

Das Potenzial hybrider Supercomputersysteme ist nicht nur theoretischer Natur. Praktische Anwendungen werden in rasantem Tempo entwickelt, von der Wirkstoffforschung bis zur Klimamodellierung, von der Finanzoptimierung bis zur Entwicklung fortschrittlicher Materialien.

Im medizinischen Bereich können Hybridsysteme komplexe molekulare Reaktionen simulieren, um neue pharmazeutische Verbindungen schneller und genauer zu entdecken.

Im Hinblick auf den Klimawandel wird die Fähigkeit, globale Klimamodelle in hoher Auflösung zu verarbeiten, Wissenschaftlern helfen, extreme Wetterereignisse besser vorherzusagen und darauf zu reagieren.

Im Finanzwesen könnten Quantenoptimierungsalgorithmen die Risikoanalyse und das Portfoliomanagement revolutionieren. In der Materialforschung könnte die Fähigkeit, Atomstrukturen auf einem bisher unerreichten Niveau zu simulieren, den Weg für supraleitende Materialien, Hochenergiebatterien und fortschrittliche Legierungen ebnen.

Um diese Vision zu verwirklichen, betonte Dongarra die Wichtigkeit des Aufbaus der richtigen Infrastruktur. Dazu gehören nicht nur fortschrittliche Hardware, sondern auch Middleware zur Integration von Quantenschaltungen mit klassischen Rechenressourcen.

Der japanische Supercomputer ABCI-Q (Foto: Wccftech).

Supercomputing-Zentren weltweit setzen diese hybride Infrastruktur aktiv ein. Das japanische Global Research and Development Center for Quantum-AI Business Technology (G-QuAT) betreibt beispielsweise den Supercomputer ABCI-Q mit 2020 Nvidia H100 GPUs, die mit supraleitenden Quantenprozessoren von Fujitsu, Neutralatomprozessoren von QuEra und photonischen Prozessoren von OptQC integriert sind.

Auch Projekte in Europa, wie der deutsche Supercomputer Jupiter, der japanische Supercomputer Fugaku und der polnische Supercomputer PSNC, haben begonnen, Quantencomputer-Hardware zu integrieren. Dänemarks Ankündigung, in Zusammenarbeit mit Microsoft und Atom Computing den Quantensupercomputer Magne mit zunächst 50 logischen Qubits zu bauen, spiegelt diesen globalen Trend ebenfalls wider.

Bereitet euch auf eine neue Ära vor, die beginnt

Dongarra prognostiziert, dass es im Zeitraum 2025-2030 zu einer explosionsartigen Zunahme von Quanten-KI-Hybridanwendungen kommen wird.

Zu den ersten Anwendungsfällen gehören generative gegnerische Quantennetzwerke für die Wirkstoffforschung, verstärkendes Lernen mithilfe von Quanten-Subroutinen und quantenoptimierte Lösungsverfahren für reale Logistikprobleme.

IBM erwartet mit seiner Quanten-Roadmap, in diesem Jahr bedeutende Durchbrüche zu erzielen und einige der größten Hindernisse für die Skalierung von Quantenhardware zu beseitigen.

Bis 2026 wird der Kookaburra-Chip von IBM ein System mit 4.158 Qubits schaffen und damit einen Durchbruch in der Quantencomputertechnologie erzielen.

Jack Dongarras Vision der Zukunft des Supercomputing ist nicht nur eine wissenschaftliche Vorhersage, sondern auch ein Aufruf zum Handeln. Die Kombination von klassischem, Quanten- und KI-Computing wird beispiellose Rechenkapazitäten schaffen und die Möglichkeit eröffnen, die größten Herausforderungen der Menschheit zu bewältigen.

Wie Jack Dongarra sagte, treten wir in ein neues Zeitalter des Rechnens ein, in dem die Grenzen zwischen dem Möglichen und dem Unmöglichen völlig neu definiert werden. Die Frage ist nicht, ob dies geschehen wird, sondern ob wir bereit sind, diese Chance zu ergreifen.

Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/cach-ai-luong-tu-va-tinh-toan-co-dien-dinh-hinh-lai-sieu-may-tinh-20250807140924177.htm