Jak umělá inteligence, kvantové a klasické výpočty mění superpočítače

(Dan Tri) - Jack Dongarra, známý jako „otec superpočítačů a vědeckého softwaru“, právě nastínil slibnou budoucnost vysoce výkonných výpočtů.

Dongarrovy názory na budoucnost superpočítačů, držitel Turingovy ceny (známé také jako Nobelova cena za informatiku) za rok 2021 a jeden ze zakladatelů žebříčku 500 nejvýkonnějších superpočítačů světa, jsou důležitými vodítky jak pro vědeckou komunitu, tak pro průmysl jako celek.

Hybridní počítače – řešení pro budoucnost

Podle Dongarry nebude nová generace superpočítačů jen tradičním upgradem hardwaru, ale chytrou kombinací klasických výpočetních systémů s kvantovou technologií a umělou inteligencí (AI).

Toto je považováno za rozhodující krok k překonání současných limitů Mooreova zákona, kdy miniaturizace tranzistorů téměř dosáhla fyzické bariéry.

Dongarra zdůrazňuje, že budoucnost superpočítačů nespočívá v úplném nahrazení klasických systémů kvantovými počítači, ale v harmonické kombinaci obojího.

Tento hybridní systém popisuje jako vícevrstvý výpočetní stroj, kde každá komponenta převezme úkoly nejlépe odpovídající jejím vlastnostem.

V Dongarrově vizi by kvantové procesorové jednotky (QPU) fungovaly jako „specializované akcelerátory“ pro komplexní optimalizační problémy, zejména v molekulárních simulacích za účelem objevování nových léků nebo materiálů.

Tyto problémy jsou exponenciálně složité, takže je obtížné řešit i pro dnešní nejvýkonnější superpočítače. Kvantové počítače, které dokáží využít efektů kvantové superpozice a provázání, si s nimi však dokáží poradit mnohem efektivněji.

Tradiční CPU a GPU budou i nadále zpracovávat hlavní výpočetní úkoly, zpracovávat velká data a provádět algoritmy umělé inteligence. Toto rozumné rozdělení práce nejen optimalizuje výkon, ale také pomáhá maximálně využít silné stránky každého typu procesoru.

Jedním z Dongarrových nejunikátnějších pohledů je role umělé inteligence v superpočítačovém systému budoucnosti. Umělou inteligenci nepovažuje za pouhou aplikaci běžící na superpočítači, ale za „lepidlo“, které spojuje a koordinuje celý systém.

Jack Dongarra hraje klíčovou roli ve vysoce výkonných počítačích (Foto: Ministerstvo energetiky USA).

Podle Dongarry bude umělá inteligence optimalizovat superpočítače v reálném čase s využitím prediktivních modelovacích technik k inteligentní alokaci zdrojů. Systém bude schopen automaticky rozhodovat, kdy použít klasické procesory, kdy přepnout na QPU a jak je koordinovat pro optimální efektivitu.

Tato vize se naplňuje prostřednictvím mnoha průkopnických projektů.

Polovodičový gigant Nvidia a Quantum Machines právě představili systém DGX Quantum, který během několika mikrosekund úzce propojuje kvantové řídicí jednotky s superčipy umělé inteligence.

Systém umožňuje kvantovou korekci chyb v reálném čase a kalibraci kvantového procesoru založenou na umělé inteligenci, což otevírá nové možnosti pro hybridní kvantově-klasické aplikace.

Nové výzvy v globálním technologickém závodě

Dongarra se také neostýchal diskutovat o výzvách, kterým čelí odvětví superpočítačů, jako je nedostatek financování výzkumu a mezinárodní konkurenční tlak, zejména ze strany Číny.

Nedávné pokroky Číny v této oblasti, jako například kvantový počítač Jiuzhang, který dokáže vykonávat úkoly 180 milionůkrát rychleji než nejvýkonnější superpočítač, nebo kvantový procesor Zuchongzhi 3.0 se 105 qubity, vyvolaly u západních zemí varování.

Čínský kvantový počítač Jiuzhang dokáže vykonávat úkoly 180 milionůkrát rychleji než nejvýkonnější superpočítač (Foto: Spectrum)

Udělení letošní ceny Jacka Dongarry za raný kariérní postup Dr. Lin Ganovi z Univerzity Tsinghua (Čína) za jeho přínos k algoritmům HPC, které propojují klasické a kvantové systémy, dále potvrzuje globální povahu tohoto závodu.

Dongarra vyzývá k posílení mezinárodní spolupráce prostřednictvím organizací, jako je North American Artificial Intelligence (NAAI), ke které se nedávno připojil, s cílem podpořit etickou integraci umělé inteligence do superpočítačů.

Dongarra poukazuje na stejně důležité výzvy v rozvoji lidských zdrojů. Stále existuje obrovský nedostatek talentů s interdisciplinárními znalostmi v oblasti umělé inteligence, kvantových výpočtů a vysokovýkonných výpočetních technologií (HPC).

I když iniciativy jako Texas Quantum Program rozšiřují okruh talentů, k dosažení široké připravenosti je stále ještě daleko.

Integrace technologií umělé inteligence, vysokovýkonných výpočetních výpočtů (HPC) a kvantových technologií do sjednocených pracovních postupů navíc vyžaduje komplexní koordinaci infrastruktury, která zpomaluje nasazení. Kybernetická bezpečnost se také stává složitější, protože tyto hybridní systémy mohou být cíleny z více směrů.

Čekají na průlomové aplikace

Potenciál hybridních superpočítačových systémů není jen teoretický. Praktické aplikace se vyvíjejí rychlým tempem, od objevování léků po modelování klimatu, od finanční optimalizace až po vývoj pokročilých materiálů.

V lékařské oblasti mohou hybridní systémy simulovat složité molekulární reakce a rychleji a přesněji nacházet nové farmaceutické sloučeniny.

V oblasti klimatických změn pomůže schopnost zpracovávat globální klimatické modely s vysokým rozlišením vědcům lépe předpovídat a reagovat na extrémní povětrnostní jevy.

Ve financích by algoritmy kvantové optimalizace mohly způsobit revoluci v analýze rizik a správě portfolia. A ve výzkumu materiálů by schopnost simulovat atomovou strukturu na nebývalé úrovni mohla připravit cestu pro supravodivé materiály, vysokoenergetické baterie a pokročilé slitiny.

Pro realizaci této vize Dongarra zdůraznil důležitost vybudování správné infrastruktury. Ta zahrnuje nejen pokročilý hardware, ale také middleware pro integraci kvantových obvodů s klasickými výpočetními zdroji.

Japonský superpočítač ABCI-Q (Foto: Wccftech).

Superpočítačová centra po celém světě aktivně nasazují tuto hybridní infrastrukturu. Japonské Globální výzkumné a vývojové centrum pro kvantovou umělou inteligenci (G-QuAT) se svým superpočítačem ABCI-Q vybaveným 2 020 grafickými procesory Nvidia H100, integrovanými se supravodivými kvantovými procesory Fujitsu, procesory pro neutrální atomy QuEra a fotonickými procesory OptQC.

Podobně evropské projekty, jako je německý superpočítač Jupiter, japonský Fugaku a polský PSNC, začaly integrovat hardware pro kvantové výpočty. Oznámení Dánska o plánech na stavbu kvantového superpočítače Magne s počátečními 50 logickými qubity ve spolupráci se společnostmi Microsoft a Atom Computing také odráží tento globální trend.

Připravte se na novou éru, která začíná

Dongarra předpovídá, že v období 2025–2030 dojde k explozi hybridních aplikací kvantové umělé inteligence.

Mezi počáteční případy použití budou patřit kvantové generativní adversární sítě pro objevování léků, posilovací učení poháněné kvantovými podprogramy a kvantově vylepšené optimalizační řešiče aplikované na reálné logistické problémy.

Společnost IBM se svým kvantovým plánem očekává, že letos dosáhne významných průlomů a odstraní některé z největších překážek škálování kvantového hardwaru.

Do roku 2026 vytvoří čip Kookaburra od IBM systém s 4 158 qubity, což bude znamenat velký skok vpřed v oblasti kvantových výpočetních schopností.

Vize Jacka Dongarry o budoucnosti superpočítačů není jen vědeckou předpovědí, ale také výzvou k akci. Kombinace klasických, kvantových a umělé inteligence vytvoří bezprecedentní výpočetní schopnosti a otevře dveře k řešení největších výzev lidstva.

Jak řekl Jack Dongarra, vstupujeme do nové éry informatiky, kde budou hranice mezi tím, co je možné, a tím, co není možné, zcela předefinovány. Otázkou není, zda se tak stane, ale zda jsme připraveni se toho chopit.

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