北京2022年2月15日 /美通社/ -- 2022 ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽（ASC22）已進(jìn)入預(yù)賽階段，全球五大洲超過(guò)300支隊(duì)伍正在向決賽席位發(fā)起沖擊，他們將挑戰(zhàn)一項(xiàng)前沿尖端應(yīng)用 -- 機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)DeePMD-kit訓(xùn)練優(yōu)化。該賽題將引導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行一場(chǎng)人工智能+科學(xué)研究+高性能計(jì)算（AI+Science+HPC）的前沿探索。
DeePMD，AI+Science+HPC的新范式
分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics, MD）是一門(mén)結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)等多種學(xué)科的綜合技術(shù)，其基本原理是通過(guò)牛頓經(jīng)典力學(xué)計(jì)算物理系統(tǒng)中各個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后使用一定的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出系統(tǒng)的力學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。時(shí)下最熱門(mén)的抗新冠病毒療法和疫苗研究就是分子動(dòng)力學(xué)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。
過(guò)去三十多年來(lái)，分子動(dòng)力學(xué)研究主要利用AIMD模擬方法，分析原子和分子在固定時(shí)間段內(nèi)如何運(yùn)動(dòng)和相互作用。但這種方法只能研究千、萬(wàn)數(shù)量級(jí)原子，以及皮秒時(shí)間尺度的小型系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)電池、納米晶體材料和輻射破壞之類的模擬已經(jīng)很難有所突破。
以機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能成為分子動(dòng)力學(xué)研究的突破口。而人工智能+科學(xué)研究+高性能計(jì)算（AI+Science+HPC）則意味著AI的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力和Science的第一性原理與HPC的超強(qiáng)算力的結(jié)合。其代表性成果就是榮獲2020年戈登·貝爾獎(jiǎng)的機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用DeePMD-kit。
DeePMD-kit成功推動(dòng)了分子動(dòng)力學(xué)的跨越式發(fā)展，而高性能計(jì)算的加入將機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)的潛力持續(xù)釋放。DeePMD-kit每天能夠模擬1億個(gè)原子超過(guò)1納秒（1納秒=1000皮秒）的軌跡，其在超級(jí)計(jì)算機(jī)頂點(diǎn)（Summit）上達(dá)到了雙精度91P的峰值性能，到解時(shí)間快于之前基線水平1000倍以上。可以說(shuō)DeePMD-kit的出現(xiàn)，定義了AI+Science+HPC的新范式。
DeePMD賽題專家、戈登·貝爾獎(jiǎng)獲得者之一、深勢(shì)科技首席科學(xué)家張林峰表示：“AI+Science+HPC的結(jié)合有著非常廣闊的應(yīng)用前景，其中AI具有對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力，以及對(duì)高維、非線型函數(shù)的表示能力，這些能力融入科學(xué)計(jì)算和高性能計(jì)算形成新的范式，極大地提高了科學(xué)計(jì)算模擬現(xiàn)實(shí)世界的能力。”
跨學(xué)科交叉碰撞，ASC22挑戰(zhàn)DeePMD優(yōu)化
作為AI+Science+HPC范式的代表，DeePMD將原子間的相互作用，由量子力學(xué)準(zhǔn)確求解的解作為數(shù)據(jù)，然后通過(guò)AI的方式來(lái)表示這樣的原子間所謂的勢(shì)能鏈、能量和受力，并進(jìn)一步進(jìn)行模型訓(xùn)練，使得分子動(dòng)力學(xué)的模擬工具兼具量子力學(xué)的精度，卻能夠比量子力學(xué)的解決方案快多個(gè)數(shù)量級(jí)。
AI+Science+HPC具有廣泛的應(yīng)用前景，張林峰介紹說(shuō)：“DeePMD不只是在高性能計(jì)算上樹(shù)立了一個(gè)新的范式，而且在很多實(shí)際科研過(guò)程中被廣泛使用。過(guò)去幾年，物理、化學(xué)、材料、天文、地質(zhì)等各個(gè)學(xué)科都在利用DeePMD去進(jìn)行前沿的科學(xué)探索，包括物質(zhì)的相圖、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等?！?/p>
在這個(gè)過(guò)程中，AI+Science+HPC的新范式也帶來(lái)了諸多底層支持的新需求和新挑戰(zhàn)，例如高性能硬件規(guī)?；蟮恼{(diào)度優(yōu)化等，這也是DeePMD賽題考察的重點(diǎn)。參賽選手需要在給定的數(shù)據(jù)集上，使用DeePMD-kit對(duì)DeePMD模型進(jìn)行訓(xùn)練，并對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)和分析，通過(guò)高性能優(yōu)化提升訓(xùn)練速度。在這一過(guò)程中，參賽大學(xué)生能夠?qū)eePMD-kit的模型構(gòu)建過(guò)程和AI+Science+HPC新范式建立直觀認(rèn)識(shí)。
對(duì)于AI+Science+HPC新范式的本質(zhì)需求，張林峰認(rèn)為是人才和生態(tài)。因?yàn)樾路妒叫枰狧PC、科學(xué)計(jì)算、AI等不同學(xué)科背景人才充分“碰撞”帶來(lái)“化學(xué)反應(yīng)”，這有賴于一個(gè)創(chuàng)新生態(tài)的建立。他希望通過(guò)ASC大賽主辦方、協(xié)辦方和參賽選手的積極參與，有效推動(dòng)AI+Science+HPC人才培養(yǎng)和生態(tài)建設(shè)。
ASC 世界大學(xué)生超算競(jìng)賽由中國(guó)發(fā)起組織，并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機(jī)構(gòu)支持，旨在通過(guò)大賽平臺(tái)推動(dòng)各國(guó)及地區(qū)間超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應(yīng)用水平和研發(fā)能力，發(fā)揮超算的科技驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)科技與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。ASC超算大賽迄今已舉行至第 10屆，吸引超萬(wàn)名世界各國(guó)大學(xué)生參賽，是全球最大規(guī)模的超算競(jìng)賽。ASC22共有全球300多支高校隊(duì)伍參賽，經(jīng)初賽選拔的隊(duì)伍將參加5月7日-11日在位于合肥的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)舉行的總決賽。
