Phá vỡ rào cản exascale cho các mô phỏng hóa học lượng tử
Một nhóm nghiên cứu do giáo sư Thomas D. Kühne và Christian Plessl dẫn dắt đã trở thành nhóm nghiên cứu đầu tiên trên thế giới phá vỡ rào cản “exaflop” chính - vận hành hơn một nghìn tỉ phép tính mỗi giây – cho một ứng dụng khoa học tính toán. Với thành công này, họ đã lập nên một kỷ lục thế giới mới.
Hai giáo sư – Plessl, nhà khoa học máy tính, và Kühne, nhà hóa học (thứ nhất và thứ hai từ bên phải) – đã vượt qua thách thức exaflop trong một mô phỏng protein gai của SARS-CoV-2 trong một ứng dụng khoa học tính toán trong thế giới thực. Họ đã tạo ra một đột phá với sự hỗ trợ của siêu máy tính Perlmutter tại Trung tâm Tính toán nghiên cứu khoa học năng lượng quốc gia Mỹ (NERSC) 1.
Perlmutter hiện là máy tính chạy nhanh thứ năm thế giới. Vấn đề cơ bản là phương pháp mô phỏng mới mà Plessl và Kühne phát triển trong nhiều năm gần đây và tích hợp vào chương trình phần mềm hóa lượng tử nguồn mở CP2K.
Chạy đua với máy tính nhanh nhất thế giới
Trong thế giới của tính toán hiệu năng cao, số lượng vận hành số thực dấu phẩy động (floating-point arithmetic) – một hệ thống biểu diễn số mà trong đó sử dụng một chuỗi chữ số để biểu diễn một số hữu tỉ – được thực hiện trong mỗi giây với sự chính xác gấp đôi (64 bit) là “điểm chuẩn” đánh giá hiệu suất của một siêu máy tính. Vào năm 1984, điểm chuẩn của một tỉ phép toán vận hành trong mỗi giây lần đầu tiên đạt được – một mẫu hình mà ngày nay mọi điện thoại thông minh đều đạt được.
“Tầm quan trọng đang ngày một gia tăng của tính toán hiệu năng cao cho khoa học đã được nâng lên thành một cuộc chạy đua công nghệ của máy tính nhanh nhất thế giới. Kể từ đó, bảng xếp hạng đã được cập nhật với 500 siêu máy tính nhanh nhất thế giới được xuất bảng sáu tháng một lần”, Plessl, chủ tịch ban giam đốc Trung tâm Tính toán song song Paderborn (PC2), nơi vận hành siêu máy tính Noctua tại trường đại học này.
Các cột mốc được ấn định vào năm 1997 (1 nghìn tỉ phép tính được vận hành mỗi giây hoặc một teraflop) và năm 2008 (1 nghìn triệu triệu phép tính hoặc một petaflop). Cuộc chạy đua cho cột mốc mang tính biểu tượng tiếp theo của một exaflop ngay lập tức được gia nhiệt. Plessl nói “Chiều cạnh của con số này trở nên rõ ràng hơn nếu anh xem xét một điều là vũ trụ này có độ tuổi là 1018 giây. Điều đó có nghĩa là nếu một người thực hiện một phép tính theo từng giây một kể từ thời điểm xảy ra Big Bang, một máy tính exascale có thể làm được việc tương tự chỉ trong vòng một giây”.
Như một công nghệ dẫn dắt trong công cuộc số hóa của khoa học đang ngày trở thành một vấn đề cạnh tranh quốc tế, cuộc chay jđua cho máy tính exascale đầu tiên giờ đã tiến hóa thành một đấu trên quy mô toàn cầu, “cuộc chạy đua không gian của thế kỷ 21”.
Pessl cho rằng “chúng ta hiện nay đang trên đỉnh của kỷ nguyên exascale. Người ta đang chờ đợi siêu máy tính đầu tiên phá vỡ ngưỡng exascale với sự vận hành 64 bit sẽ được thông báo công khai tại Hội nghị quốc tế về Tính toán hiệu năng cao (ISC), diễn ra tại Hamburg trong năm 2022”.
Phương pháp mới cho mô phỏng hóa lượng tử song song khối lượng lớn
Khi đánh giá tiêu chuẩn để xác định tốc độ của một siêu máy tính cho danh sách TOP500, một chương trình được sử dụng để tính toán thời gian cho một hệ các phương trình rất lớn. Plessl dẫn giải về điều này: “Tùy thuộc vào các đặc tính song song xuất sắc của chương trình này, các siêu máy tính có thể sử dụng một tỉ lệ rất cao về mặt lý thuyết năng lực tính toán cực đại sẵn có. Cũng có phê bình về phương pháp đo lường này là năng lực tính toán đó có thể hữu dụng với các ứng dụng khoa học trong thế giới thực, vốn thường chỉ là một phần nhỏ của năng lực tính toán cực đại. Sở dĩ như vậy là vì sự phân bố của các nhiệm vụ tính toán, việc chuyển dữ liệu và điều phối sự thực hiện trên hàng trăm nghìn yếu tố tính toán thường đòi hỏi thời gian và chi phí vận hành”.
Sự phát triển của các phương pháp mô phỏng tối ưu và các thuật toán khai thác ngày một hiệu quả hơn năng lực tính toán của các siêu máy tính song song do đó là chủ đề nghiên cứu chính trong lĩnh vực khoa học tính toán. Plessl, Kühne và nhóm nghiên cứu của mình đã đón nhận thách thức này. Trong bối cảnh sử dụng các máy tính exascale cho mô phỏng các hệ hóa học, họ đã thực hiện phương pháp ma trận con cho tính toán xấp xỉ các hàm ma trận trong năm 2020, một phương pháp mới được thiết kế một cách lý tưởng cho những yêu cầu về các siêu máy tính exascale. Điều cốt lõi của phương pháp là phương pháp trong đó nhiều tính toán độc lập được thực hiện trên các ma trận nhỏ dày đặc. “Đó chính xác là các dạng vận hành có thể đạt được với năng lực tính toán cao và hiệu quả năng lượng trên một siêu máy tính được trang bị phần cứng được GPU gia tốc”, Kühne nói.
Mô phỏng đạt mức kỷ lục trên siêu máy tính JUWELS Booster
Vào năm 2021, các nhà khoa học ở Paderborn đã lập tức thực hiện các mô phỏng trên virus HI với 102 triệu nguyên tử trên JUWELS Booster ở Trung tâm Siêu máy tính Jülich, lúc đó là siêu máy tính nhanh nhất châu Âu (hiện thời xếp hạng 8 thế giới), do vậy đã lập một kỷ lục mới cho mô phỏng động lực phân tử ngay từ đầu dựa trên cấu trúc electron lớn nhất thế giới. Mô phỏng này đạt một hiệu suất tính toán là 324 petaflop trong một số thực dấu phẩy động độ chính xác hỗn hợp và một hiệu quả 67,7% năng lực tính toán hiện hành về mặt lý thuyết, một dạng cột mốc cho miền ứng dụng. Kể từ khi mô phỏng được lập kỷ lục ở Jülich, các phương pháp này đã được tiếp tục tối ưu để gia tăng hiệu quả sử dụng gia tốc phần cứng GPU.
Để thử nghiệm năng lực exascale của phương pháp này trên thực tế, nhóm nghiên cứu đã được phép sử dụng siêu máy tính Perlmutter ở NERSC. Máy tính này có những nguồn phù hợp để vượt qua rào cản exascale khi sử dụng độ chính xác hỗn hợp 32-/16 bit thay vì độ chính xác 64 bit cho tính toán. Phương pháp này có thể được phân loại trong bối cảnh tính toán xấp xỉ các nhiệm vụ với độ xấp xỉ thay vì các giá trị chính xác.
“Sau đó vào tháng Tư, khi thực hiện một mô phỏng protein gai SARS-CoV-2 sử dụng 4.400 gia tốc GPU, chúng tôi đã phá vỡ ngưỡng exaflop và đạt tới 1,1 exaflop trong số học chính xác hỗn hợp trên phần tính toán tới hạn của ứng dụng này”, Plessl nói. “Là một khung tham chiếu, một bước mô phỏng mất 42 giây cho 83 triệu nguyên tử, nghĩa là xấp xỉ 47 x 1018 vận hành phép tính số thực dấu phẩy động được thực hiện trong quá trình này. Không bao gồm đòi hỏi bộ nhớ, như một tính toán có thể mất tới 13 giờ với hệ petaflops đầu tiên, siêu máy tính Roadrunner đạt được vào năm 2008, và khoảng 1,5 năm với hệ teraflop đầu tiên, the ASCI Red vào năm 1997”.
Các nhà khoa học Paderborn giờ đã bận rộn cho đỉnh tiếp theo của mình: “Tiêu chuẩn vàng cho mô phỏng nguyên tử trong hóa học và vật lý chất đậm đặc là phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ. Chúng tôi rất tự tin là chúng tôi sẽ thanhg công trong ứng dụng phương pháp ma trận con trong lĩnh vực này”, Kühne nói.
Nguyễn Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://www.eurekalert.org/news-releases/954353
https://techxplore.com/news/2022-06-scientists-exascale-barrier-quantum-chemistry.html
—————————————————————-
1. https://arxiv.org/pdf/2205.12182.pdf
