五個(gè)備受矚目的 HPC 獎(jiǎng)決賽入圍項(xiàng)目憑借 Alps、JUPITER 和 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)的支持在氣候建模、流體模擬等領(lǐng)域取得了重大突破。

戈登·貝爾獎(jiǎng)的五個(gè) HPC 獎(jiǎng)決賽入圍項(xiàng)目正在使用由 NVIDIA 技術(shù)驅(qū)動(dòng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)開展氣候建模、材料科學(xué)、流體模擬、地球物理學(xué)和電子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的關(guān)鍵研究工作。

本周在SC25上發(fā)布的這些決賽入圍項(xiàng)目運(yùn)用物理模擬、高精度數(shù)學(xué)運(yùn)算及其他先進(jìn)超算技術(shù)，正在推動(dòng) AI 與 HPC 在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，加速天氣預(yù)報(bào)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、太空探索等諸多領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。這些研究成果已發(fā)布于 ArXiv，可供公開獲取。

支撐這些研究的超級(jí)計(jì)算機(jī)包括：

Alps——部署于瑞士國家超級(jí)計(jì)算中心 (CSCS)，其計(jì)算能力由超過 10,000 顆NVIDIA Grace Hopper 超級(jí)芯片提供。

Perlmutter——部署于美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心 (NERSC)，由 NVIDIA 加速計(jì)算驅(qū)動(dòng)。

JUPITER——?dú)W洲首臺(tái) Exascale 級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，部署于于利希超級(jí)計(jì)算中心 (JSC)，搭載 NVIDIA Grace Hopper 平臺(tái)及 Quantum-X800 InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)。

“在 CSCS，我們不止于支持開放科學(xué)，更全力加速其向前?！盋SCS 總監(jiān) Thomas Schulthess 表示，“本年度的五項(xiàng)戈登·貝爾獎(jiǎng)決賽成果，在氣候建模、材料科學(xué)、流體力學(xué)及數(shù)字孿生領(lǐng)域取得的非凡突破，正是無可辯駁的證明：如果沒有 Alps 超級(jí)計(jì)算機(jī)，這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)便無從談起。拓展計(jì)算疆界能讓宏偉藍(lán)圖化為現(xiàn)實(shí)，推動(dòng)科學(xué)革命重塑我們的世界。”

更多有關(guān)本屆五項(xiàng)決賽入圍項(xiàng)目的創(chuàng)新成果詳情如下：

ICON：公里尺度地球模擬

馬克斯·普朗克氣象研究所、德國氣候計(jì)算中心、瑞士國家超級(jí)計(jì)算中心、于利希超級(jí)計(jì)算中心、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院及 NVIDIA 的研究人員共同開發(fā)了一種新的ICON 地球系統(tǒng)模型配置，有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)，并深化人類對(duì)地球運(yùn)行機(jī)制的理解。

通過在公里尺度上模擬整個(gè)地球系統(tǒng)，ICON 能夠以卓越的細(xì)節(jié)和前所未有的時(shí)間壓縮，捕捉大氣、海洋和陸地間能量、水和碳的流動(dòng)。其獨(dú)特優(yōu)勢在于，每 24 小時(shí)可模擬約 146 天的狀態(tài)，從而能進(jìn)行更高效的氣候模擬，將預(yù)測范圍延伸至未來數(shù)十年。

馬克斯·普朗克氣象研究所計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和模型開發(fā)組負(fù)責(zé)人 Daniel Klocke 表示：“ICON 模型以 1 公里的空前分辨率整合了地球系統(tǒng)的所有關(guān)鍵要素，使研究人員能夠在局部尺度上觀測完整的全球地球系統(tǒng)信息，并深入了解未來氣候變暖對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的影響?！?/p>

ORBIT-2：用于天氣與氣候建模的 Exascale 級(jí)視覺基礎(chǔ)模型

ORBIT-2 是由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、NVIDIA 等機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的天氣與氣候降尺度 AI 基礎(chǔ)模型，其在 Alps 超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。該模型展現(xiàn)出卓越的可擴(kuò)展性與精確度。

ORBIT-2 借助Exascale級(jí)計(jì)算能力與算法創(chuàng)新，通過空間超高分辨率降尺度技術(shù)成功突破了傳統(tǒng)氣候模型面臨的瓶頸——該技術(shù)能將低分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高分辨率數(shù)據(jù)。這使得研究團(tuán)隊(duì)如今能夠精準(zhǔn)捕捉并預(yù)測更小尺度的局部現(xiàn)象，例如城市熱島效應(yīng)、極端降水事件以及季風(fēng)模式的細(xì)微變化。

QuaTrEx：通過納米尺度器件建模推動(dòng)晶體管設(shè)計(jì)革新

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過QuaTrEx 算法套件，在納米尺度電子器件建模領(lǐng)域取得重大突破，將有力推動(dòng)下一代晶體管的設(shè)計(jì)進(jìn)程。

在 Alps 超級(jí)計(jì)算機(jī)與 NVIDIA Grace Hopper 超級(jí)芯片的驅(qū)動(dòng)下，QuaTrEx 能夠以 FP64 精度和極致并行計(jì)算效率，完成超過 45,000 個(gè)原子尺度的器件模擬。這一突破能更快、更精確地設(shè)計(jì) NREFT 的晶體管，該技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院計(jì)算納米電子學(xué)全職教授 Mathieu Luisier 表示：“Alps 對(duì) QuaTrEx 項(xiàng)目的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。這讓我們能夠模擬那些在幾個(gè)月前還難以想象的器件?！?/p>

基于 MFC 流動(dòng)求解器的航天器全尺度空前規(guī)模模擬

在設(shè)計(jì)航天器，尤其是配備多臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行精細(xì)化的模擬，因?yàn)槊芗帕械陌l(fā)動(dòng)機(jī)噴流會(huì)相互干擾，導(dǎo)致火箭底部溫度急劇升高。

由佐治亞理工學(xué)院與 NVIDIA 等機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的開源求解器MFC，目前正運(yùn)行于 Alps 超級(jí)計(jì)算機(jī)之上，其能夠以 4 倍的速度進(jìn)行流體流動(dòng)模擬，同時(shí)保持與前世界紀(jì)錄相同的精度且能效提升超過 5 倍。根據(jù)在 Alps 超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成的全尺度測試，MFC 有望在 JUPITER 超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)比前世界紀(jì)錄高 10 倍的模擬規(guī)模，這為太空探索關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化開辟了更快速、更精準(zhǔn)的新路徑。

佐治亞理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)與工程助理教授 Spencer Bryngelson 表示：“我們創(chuàng)新的信息幾何正則化方法，結(jié)合 NVIDIA Grace Hopper 超級(jí)芯片的統(tǒng)一虛擬內(nèi)存與混合精度能力，極大提升了復(fù)雜計(jì)算流體模擬的效率，使我們能夠在前所未有的規(guī)模上模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流?！?/p>

用于海嘯預(yù)警的數(shù)字孿生系統(tǒng)

由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室及加州大學(xué)圣迭戈分校組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出全球首個(gè)能做出全物理模型實(shí)時(shí)發(fā)布概率性海嘯預(yù)報(bào)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

當(dāng)這套數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用于太平洋西北部的卡斯卡迪亞俯沖帶時(shí)，其在 Alps 與 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)上，僅用 0.2 秒就完成了非常復(fù)雜的計(jì)算，而這些計(jì)算如果在 512 塊 GPU 上運(yùn)行通常需要 50 年才能完成，其實(shí)現(xiàn)了 100 億倍的加速。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程教授 Omar Ghattas 表示：“這是首次能夠?qū)?shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)與全物理建模及不確定性量化技術(shù)快速結(jié)合，使人們有機(jī)會(huì)在災(zāi)難發(fā)生前采取應(yīng)對(duì)措施。該框架為開發(fā)基于物理模型的面向各類災(zāi)害的預(yù)測性應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)提供了通用的技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>

在構(gòu)建海嘯數(shù)字孿生、ICON 氣候模型與 MFC 流動(dòng)求解器的過程中，NVIDIA CUDA-X庫在最大化復(fù)雜模擬的性能與效率方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。ICON 還利用了NVIDIA CUDA Graphs，該技術(shù)允許將工作定義為圖結(jié)構(gòu)，而非單一操作。