Hur AI, kvantberäkning och klassisk databehandling omformar superdatorer

(Dan Tri) – Jack Dongarra, känd som "superdatorernas och den vetenskapliga programvarans fader", har just skisserat en lovande framtid för högpresterande datoranvändning.

Som vinnare av Turingpriset 2021 (även känt som Nobelpriset i datavetenskap) och en av grundarna av Top 500-listan, som rankar världens kraftfullaste superdatorer, är Dongarras syn på superdatorernas framtid viktiga vägledningar för både forskarsamhället och industrin i stort.

Hybriddatorer – Lösningar för framtiden

Enligt Dongarra kommer nästa generations superdatorer inte bara att vara en traditionell hårdvaruuppgradering, utan en smart kombination av klassiska datorsystem med kvantteknik och artificiell intelligens (AI).

Detta anses vara ett avgörande steg för att övervinna de nuvarande begränsningarna i Moores lag, när transistorminiatyriseringen nästan har nått en fysisk barriär.

Dongarra betonar att superdatorernas framtid inte ligger i att helt ersätta klassiska system med kvantdatorer, utan i en harmonisk kombination av båda.

Han beskriver detta hybridsystem som en flerskiktad datormaskin, där varje komponent kommer att ta sig an uppgifter som bäst passar dess egenskaper.

I Dongarras vision skulle kvantprocessorer (QPU) fungera som "specialiserade acceleratorer" för komplexa optimeringsproblem, särskilt i molekylära simuleringar för att upptäcka nya läkemedel eller material.

Dessa problem är exponentiellt komplexa, vilket gör dem olösliga även för dagens kraftfullaste superdatorer. Kvantdatorer, som kan dra nytta av kvantsuperposition och sammanflätningseffekter, kan dock hantera dem mycket mer effektivt.

Samtidigt kommer traditionella processorer och grafikprocessorer att fortsätta hantera de viktigaste beräkningsuppgifterna, bearbeta stordata och utföra AI-algoritmer. Denna rimliga arbetsfördelning optimerar inte bara prestandan utan hjälper också till att utnyttja styrkorna hos varje typ av processor maximalt.

Ett av Dongarras mest unika perspektiv är AI:s roll i framtidens superdatorsystem. Han ser AI inte bara som en applikation som körs på en superdator, utan som det "lim" som kopplar samman och koordinerar hela systemet.

Jack Dongarra spelar en nyckelroll inom högpresterande datorteknik (Foto: US Department of Energy).

Enligt Dongarra kommer AI att optimera superdatorer i realtid med hjälp av prediktiva modelleringstekniker för att intelligent allokera resurser. Systemet kommer att kunna automatiskt bestämma när klassiska processorer ska användas, när det ska byta till kvantitativa processorer och hur de ska koordineras för optimal effektivitet.

Denna vision förverkligas genom många banbrytande projekt.

Halvledarjätten Nvidia och Quantum Machines har precis introducerat DGX Quantum-systemet, som tätt sammankopplar en kvantstyrenhet med ett AI-superchip på bara några mikrosekunder.

Systemet möjliggör korrigering av kvantfel i realtid och AI-baserad kalibrering av kvantprocessorer, vilket öppnar upp nya möjligheter för hybrida kvant-klassiska tillämpningar.

Nya utmaningar i den globala teknologikapplöpningen

Dongarra drog sig inte heller för att diskutera de utmaningar som superdatorindustrin står inför, såsom brist på forskningsfinansiering och internationellt konkurrenstryck, särskilt från Kina.

Kinas senaste framsteg inom detta område, såsom kvantdatorn Jiuzhang som kan utföra uppgifter 180 miljoner gånger snabbare än den kraftfullaste superdatorn, eller kvantprocessorn Zuchongzhi 3.0 med 105 qubits, har väckt västländerna.

Kinas kvantdator Jiuzhang kan utföra uppgifter 180 miljoner gånger snabbare än den kraftfullaste superdatorn (Foto: Spectrum)

Utdelningen av årets Jack Dongarra Early Career Award till Dr. Lin Gan vid Tsinghua University (Kina) för hans bidrag till HPC-algoritmer som överbryggar klassiska och kvantsystem bekräftar ytterligare denna ras globala natur.

Dongarra efterlyste ökat internationellt samarbete genom organisationer som North American Artificial Intelligence (NAAI), som han nyligen gick med i, för att främja den etiska integrationen av AI i superdatorer.

Dongarra pekar på lika viktiga utmaningar när det gäller att utveckla mänskliga resurser. Det finns fortfarande en enorm brist på talanger med tvärvetenskaplig expertis inom AI, kvantberäkning och HPC.

Medan initiativ som Texas Quantum Program utökar talangpoolen, är det fortfarande långt kvar till en bred beredskap.

Dessutom kräver integrationen av AI, HPC och kvantteknik i enhetliga arbetsflöden komplex infrastruktursamordning som saktar ner driftsättningen. Cybersäkerhetsproblem förvärras också eftersom dessa hybridsystem kan attackeras från flera håll.

Genombrottsapplikationer väntar

Potentialen hos hybrida superdatorsystem är inte bara teoretisk. Praktiska tillämpningar utvecklas i snabb takt, från läkemedelsutveckling till klimatmodellering, från finansiell optimering till avancerad materialutveckling.

Inom det medicinska området kan hybridsystem simulera komplexa molekylära reaktioner för att upptäcka nya farmaceutiska föreningar snabbare och mer exakt.

För klimatförändringar kommer möjligheten att bearbeta globala klimatmodeller med hög upplösning att hjälpa forskare att bättre förutsäga och reagera på extrema väderhändelser.

Inom finanssektorn skulle kvantoptimeringsalgoritmer kunna revolutionera riskanalys och portföljhantering. Inom materialforskning skulle möjligheten att simulera atomstruktur på en aldrig tidigare skådad nivå kunna bana väg för supraledande material, högenergibatterier och avancerade legeringar.

För att förverkliga denna vision betonade Dongarra vikten av att bygga rätt infrastruktur. Detta inkluderar inte bara avancerad hårdvara utan även mellanprogramvara för att integrera kvantkretsar med klassiska datorresurser.

Japans ABCI-Q-superdator (Foto: Wccftech).

Superdatorcenter runt om i världen distribuerar aktivt denna hybridinfrastruktur. Japans Global Research and Development Center for Quantum-AI Business Technology (G-QuAT) med sin ABCI-Q-superdator utrustad med 2 020 Nvidia H100 GPU:er, integrerade med Fujitsus supraledande kvantprocessorer, QuEras neutrala atomprocessorer och OptQCs fotoniska processorer.

På liknande sätt har projekt i Europa, som Tysklands Jupiter-superdator, Japans Fugaku och Polens PSNC, alla börjat integrera kvantberäkningshårdvara. Danmarks tillkännagivande om planer på att bygga kvantsuperdatorn Magne med initialt 50 logiska qubits, i samarbete med Microsoft och Atom Computing, återspeglar också denna globala trend.

Gör dig redo för en ny era som börjar

Dongarra förutspår att perioden 2025-2030 kommer att se en explosion av hybridapplikationer inom kvant-AI.

Initiala användningsfall kommer att inkludera kvantgenerativa adversariella nätverk för läkemedelsutveckling, förstärkningsinlärning drivet av kvantsubrutiner och kvantförstärkta optimeringslösare tillämpade på verkliga logistikproblem.

IBM, med sin kvantumfärdplan, förväntar sig att göra betydande genombrott i år och undanröja några av de största hindren för att skala upp kvanthårdvara.

År 2026 kommer IBMs Kookaburra-chip att skapa ett system med 4 158 qubits, vilket markerar ett genombrott inom kvantberäkningskapacitet.

Jack Dongarras vision om superdatorernas framtid är inte bara en vetenskaplig förutsägelse, utan också en uppmaning till handling. Kombinationen av klassisk, kvant- och AI-beräkning kommer att skapa exempellösa beräkningsmöjligheter, vilket öppnar upp möjligheten att lösa mänsklighetens största utmaningar.

Som Jack Dongarra har sagt går vi in ​​i en ny era inom datorvärlden där gränserna mellan vad som är möjligt och vad som inte är möjligt kommer att omdefinieras helt. Frågan är inte om detta kommer att hända, utan om vi är redo att ta det.

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