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新智元報(bào)道

來(lái)源：venturebeat

編輯：小勻

【新智元導(dǎo)讀】一個(gè)計(jì)算機(jī)探索宇宙的史詩(shī)級(jí)時(shí)刻！近日，被譽(yù)為全球最快的人工智能工作負(fù)載超級(jí)計(jì)算機(jī)——Perlmutte宣布開(kāi)啟。這臺(tái)新超級(jí)計(jì)算機(jī)以擁有6144個(gè)英偉達(dá)A100張量核心圖形處理器，將負(fù)責(zé)拼接有史以來(lái)最大的可見(jiàn)宇宙3D地圖。并且，它有望撥開(kāi)物理學(xué)天空的烏云——暗能量。

宇宙是在不斷膨脹的嗎？是的！而令宇宙不斷膨脹的「罪魁禍?zhǔn)住咕褪?/span>暗能量。

作為是宇宙中最神秘的物質(zhì)，它看不見(jiàn)摸不著，為了捕捉它，人類(lèi)在地球上建立了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但都成效甚微。

但如今，一臺(tái)擁有強(qiáng)大AI性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)，或許能夠助我們一臂之力。

近日，英偉達(dá)和美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）打開(kāi)了一個(gè)「開(kāi)關(guān)」—— Perlmutte，該計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為世界上用于人工智能工作負(fù)載的最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

這臺(tái)新的超級(jí)計(jì)算機(jī)以天體物理學(xué)家索爾-珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）的名字命名，擁有6144個(gè)英偉達(dá)A100 Tensor Core GPU，將負(fù)責(zé)拼接有史以來(lái)最大的可見(jiàn)宇宙3D地圖

不僅如此，Perlmutter 還將對(duì)「宇宙攝像機(jī)」暗能量光譜儀（DESI）的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是一種可以在一次曝光中捕獲多達(dá) 5,000 個(gè)星系的宇宙相機(jī)。

處理DESI巨量數(shù)據(jù)，繪制最大的可見(jiàn)宇宙3D地圖

那么，宇宙的3D地圖該如何拼湊呢？

在不久前的5 月 17 日，DESI先行啟動(dòng)，開(kāi)始了為期五年的捕捉數(shù)據(jù)之旅。在此前的四個(gè)月試運(yùn)行期間，DESI已經(jīng)捕獲了 400 萬(wàn)個(gè)星系的光譜，這超過(guò)了以往所有光譜調(diào)查的總和。

而Perlmutter要做的，就是對(duì)DESI的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。

根據(jù)官網(wǎng)的介紹， Perlmutter 的 GPU 在一個(gè)晚上捕獲數(shù)十次曝光。在之前的系統(tǒng)上，準(zhǔn)備一年的數(shù)據(jù)以供發(fā)布可能需要數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間，但 Perlmutter 將能夠在短短幾天內(nèi)完成任務(wù)。

「我對(duì)我們?cè)跍?zhǔn)備工作中在 GPU 上獲得的 20 倍加速感到非常滿意?！?/span>NERSC 的數(shù)據(jù)架構(gòu)師 Rollin Thomas 說(shuō)，他正在幫助研究人員為Perlmutter準(zhǔn)備代碼。

Rollin Thomas難掩對(duì)Perlmutter性能的自信，因?yàn)镻erlmutter是世界上最大的 A100 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有超過(guò) 20 個(gè)應(yīng)用程序正準(zhǔn)備成為首批搭載 6,159 個(gè)NVIDIA A100 Tensor Core GPU 的應(yīng)用程序，在NERSC正式投入使用后，Perlmutter將為 7,000 多名研究人員提供近 4 exaflops 的 AI 性能。

暗能量主要是通過(guò) 2011 年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Saul Perlmutter 的工作發(fā)現(xiàn)的。

在物理宇宙學(xué)中，暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺(jué)的能量形式。暗能量假說(shuō)是當(dāng)今對(duì)宇宙加速膨脹的觀測(cè)結(jié)果的解釋中最為流行的一種。在宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型中，暗能量占據(jù)宇宙68.3%的質(zhì)能

作為某種作用于時(shí)空結(jié)構(gòu)本身的能量，暗能量是種均勻的負(fù)壓力，會(huì)導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)膨脹。1998年，高紅移超新星搜索隊(duì)觀測(cè)組發(fā)表了Ia型超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，顯示宇宙在加速膨脹。隨之，1999年，超新星宇宙學(xué)計(jì)劃證實(shí)了該結(jié)果。該項(xiàng)工作于2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但遺憾的是，目前我們對(duì)它的研究仍然不夠確切，DESI 的地圖為我們帶來(lái)了揭示暗能量奧秘的的新希望。

超級(jí)計(jì)算機(jī)融合 AI、HPC

毫無(wú)疑問(wèn)，Perlmutter的作用將是無(wú)限的，除了拼湊宇宙的 3D 地圖，還能幫助探索綠色能源的亞原子相互作用等等。

NERSC的應(yīng)用性能專(zhuān)家Brandon Cook說(shuō)：「過(guò)去不可能對(duì)像電池界面這樣的大系統(tǒng)進(jìn)行完全的原子模擬，但現(xiàn)在科學(xué)家們計(jì)劃用Perlmutter來(lái)做這件事。」

我們知道，傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎無(wú)法處理幾納秒內(nèi)生成幾個(gè)原子模擬所需的數(shù)學(xué)運(yùn)算，無(wú)法使用 Quantum Espresso 等程序。但通過(guò)將其高度精確的模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，科學(xué)家可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)研究更多的原子。

這也是英偉達(dá) A100 中 Tensor Core 發(fā)揮其獨(dú)特作用的地方。它們加速了用于模擬的雙精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和深度學(xué)習(xí)所需的混合精度計(jì)算。

Perlmutter 基于包括 Slingshot 互連的 HPE Cray Shasta 平臺(tái)，這是一個(gè)具有 GPU 加速節(jié)點(diǎn)和僅 CPU 節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分兩個(gè)階段進(jìn)行安裝——最近揭幕的是第一階段，其中包括系統(tǒng)的 GPU 加速節(jié)點(diǎn)和暫存文件系統(tǒng)；第 2 階段將在 2021 年晚些時(shí)候添加僅使用 CPU 的節(jié)點(diǎn)。

英偉達(dá)高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Dion Harris 在今天發(fā)布的博客中表示：「這使 Perlmutter 成為地球上在 16 位和 32 位混合精度數(shù)學(xué) AI 使用中速度最快的系統(tǒng)。而且是目前為止，今年晚些時(shí)候在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)的第二階段或許更強(qiáng)?！?/span>

Perlmutter 的 A100 GPU 采用 Nvidia Tensor Core 技術(shù)和直接液體冷卻。另外，它也是 NERSC 的第一臺(tái)具有全閃存暫存文件系統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù) NERSC 稱(chēng)，35 PB 的 Lustre 文件系統(tǒng)將以超過(guò) 5 TB/秒的速度移動(dòng)數(shù)據(jù)，使其成為同類(lèi)中最快的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

Perlmutter 安裝的第一階段由 12 個(gè) GPU 加速機(jī)柜組成，可容納 1,500 多個(gè)節(jié)點(diǎn)。今年晚些時(shí)候的第二階段將增加 12 個(gè) CPU 機(jī)柜，超過(guò) 3,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。Phase 1 的每個(gè) GPU 加速節(jié)點(diǎn)都有四個(gè)基于 NVIDIA Ampere GPU 架構(gòu)的 A100 Tensor Core GPU 以及 256GB 的內(nèi)存。每個(gè) Phase 1 節(jié)點(diǎn)還有一個(gè) AMD「Milan」 CPU。第一階段系統(tǒng)還包括非計(jì)算節(jié)點(diǎn) (NCN)、20 個(gè)用戶訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（NCN-UAN – 登錄節(jié)點(diǎn)）和服務(wù)節(jié)點(diǎn)。據(jù) NERSC 稱(chēng)，一些 NCN-UAN 可用于部署容器化用戶環(huán)境，使用 Kubernetes 進(jìn)行編排。

第一階段機(jī)柜沒(méi)有連接門(mén)，直接液體冷卻系統(tǒng)的藍(lán)色和紅色線條

Phase 2 的每個(gè) CPU 節(jié)點(diǎn)都將有兩個(gè) AMD Milan CPU，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有 512GB 的內(nèi)存。Phase 2 系統(tǒng)還增加了 20 個(gè)登錄節(jié)點(diǎn)和 4 個(gè)大內(nèi)存節(jié)點(diǎn)。

支持多種編程環(huán)境，用計(jì)算極限探索宇宙極限

除了 CCE、GNU 和 LLVM 編譯器外，Perlmutter 編程環(huán)境還將采用 NVDIA HPC SDK（軟件開(kāi)發(fā)套件），以支持多種并行編程模型，例如 MPI、OpenMP、CUDA 和用于 C、C++ 和 Fortran 代碼的 OpenACC。

雖然人類(lèi)用肉身探索宇宙的能力有限，但計(jì)算機(jī)沒(méi)有這個(gè)障礙。

例如去年10月份，來(lái)自夏威夷大學(xué)馬諾阿分校天文研究所的一組天文學(xué)家就在AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幫助下，創(chuàng)造了迄今為止最全面的「天文學(xué)成像目錄」，包括恒星、星系和類(lèi)星體等。

該系統(tǒng)還測(cè)定了與星系的距離，最多只有3% 的誤差。根據(jù)夏威夷大學(xué)的說(shuō)法，最終的成果是「世界上最大的恒星、星系和類(lèi)星體三維成像目錄」

甚至，有來(lái)自微軟的物理學(xué)家用80頁(yè)論文證明「模擬矩陣」：宇宙是個(gè)自學(xué)成才的計(jì)算機(jī)。

進(jìn)化定律的自學(xué)成才系統(tǒng)（a self-learning system of evolutionary laws）

根據(jù)作者的觀點(diǎn)，宇宙也演化出了類(lèi)似深度學(xué)習(xí)框架的自發(fā)系統(tǒng)。

我們知道，深度學(xué)習(xí)框架就是一套積木，各個(gè)組件就是某個(gè)模型或算法的一部分，你可以自己設(shè)計(jì)積木的堆疊。

因此，我們是否可以想象，宇宙演化出法則的操作矩陣架構(gòu)，其本身是從一個(gè)自動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)演化而來(lái)的，該系統(tǒng)產(chǎn)生于最可能的最小初始條件?

論文中，作者描述了幾個(gè)模型，這些模型均實(shí)現(xiàn)了「自導(dǎo)自演」：

有7,088個(gè)節(jié)點(diǎn)和7,304條邊的圖，由抽樣可能的未來(lái)構(gòu)成

生活中，物理定律的得出靠的是我們的觀察，所以原始物理定律將極其簡(jiǎn)單，但經(jīng)過(guò)代代更迭，定律有了自我延續(xù)并具有學(xué)習(xí)和發(fā)展的能力。

也許，宇宙不是從大爆炸開(kāi)始的，而僅僅是粒子之間的簡(jiǎn)單相互作用。

文章圍繞受限玻爾茲曼機(jī)（restricted Boltzmann machine, RBM）討論。

受限玻爾茲曼機(jī)由Hinton等人提出，是一種生成式隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)概念非常抽象，是一種類(lèi)似物理學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。然而，受限玻爾茲曼機(jī)是最簡(jiǎn)單的一類(lèi)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，

該架構(gòu)由兩層神經(jīng)元組成。一個(gè)是可見(jiàn)層（綠色），一個(gè)是隱藏層（藍(lán)色）。

了解宇宙未知的一面，一直是天文學(xué)家努力的方向。有了AI這個(gè)「隊(duì)友」，我們會(huì)不會(huì)加速通向探秘宇宙的星辰大海呢？

參考資料：

https://blogs.nvidia.com/blog/2021/05/27/nersc-perlmutter-ai-supercomputer/

https://venturebeat.com/2021/05/27/nvidia-nersc-claim-perlmutter-is-worlds-fastest-ai-supercomputer/

https://insidehpc.com/2021/05/6000-gpus-perlmutter-to-deliver-4-exaflops-top-spot-in-ai-supercomputing/

https://www.engadget.com/perlmutter-ai-supercomputer-3d-universe-map-200437484.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/376118974

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