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ASC22超算競賽挑戰(zhàn)戈登-貝爾獎獲獎應(yīng)用DeePMD優(yōu)化

2022-02-15 17:40 6921

北京2022年2月15日 /美通社/ -- 2022 ASC世界大學(xué)生超級計算機競賽(ASC22)已進入預(yù)賽階段,全球五大洲超過300支隊伍正在向決賽席位發(fā)起沖擊,他們將挑戰(zhàn)一項前沿尖端應(yīng)用 -- 機器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)DeePMD-kit訓(xùn)練優(yōu)化。該賽題將引導(dǎo)大學(xué)生進行一場人工智能+科學(xué)研究+高性能計算(AI+Science+HPC)的前沿探索。

DeePMD,AI+Science+HPC的新范式

分子動力學(xué)(Molecular Dynamics, MD)是一門結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)等多種學(xué)科的綜合技術(shù),其基本原理是通過牛頓經(jīng)典力學(xué)計算物理系統(tǒng)中各個原子的運動軌跡,然后使用一定的統(tǒng)計方法計算出系統(tǒng)的力學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)性質(zhì)。時下最熱門的抗新冠病毒療法和疫苗研究就是分子動力學(xué)的典型應(yīng)用場景。

過去三十多年來,分子動力學(xué)研究主要利用AIMD模擬方法,分析原子和分子在固定時間段內(nèi)如何運動和相互作用。但這種方法只能研究千、萬數(shù)量級原子,以及皮秒時間尺度的小型系統(tǒng),對復(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。

以機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能成為分子動力學(xué)研究的突破口。而人工智能+科學(xué)研究+高性能計算(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的超強算力的結(jié)合。其代表性成果就是榮獲2020年戈登·貝爾獎的機器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)應(yīng)用DeePMD-kit。


DeePMD-kit成功推動了分子動力學(xué)的跨越式發(fā)展,而高性能計算的加入將機器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)的潛力持續(xù)釋放。DeePMD-kit每天能夠模擬1億個原子超過1納秒(1納秒=1000皮秒)的軌跡,其在超級計算機頂點(Summit)上達到了雙精度91P的峰值性能,到解時間快于之前基線水平1000倍以上??梢哉fDeePMD-kit的出現(xiàn),定義了AI+Science+HPC的新范式。

DeePMD賽題專家、戈登·貝爾獎獲得者之一、深勢科技首席科學(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具有對復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力,以及對高維、非線型函數(shù)的表示能力,這些能力融入科學(xué)計算和高性能計算形成新的范式,極大地提高了科學(xué)計算模擬現(xiàn)實世界的能力?!?nbsp;

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AI的方式來表示這樣的原子間所謂的勢能鏈、能量和受力,并進一步進行模型訓(xùn)練,使得分子動力學(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)的解決方案快多個數(shù)量級。

AI+Science+HPC具有廣泛的應(yīng)用前景,張林峰介紹說:“DeePMD不只是在高性能計算上樹立了一個新的范式,而且在很多實際科研過程中被廣泛使用。過去幾年,物理、化學(xué)、材料、天文、地質(zhì)等各個學(xué)科都在利用DeePMD去進行前沿的科學(xué)探索,包括物質(zhì)的相圖、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等?!?/p>

在這個過程中,AI+Science+HPC的新范式也帶來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。參賽選手需要在給定的數(shù)據(jù)集上,使用DeePMD-kit對DeePMD模型進行訓(xùn)練,并對訓(xùn)練過程進行改進和分析,通過高性能優(yōu)化提升訓(xùn)練速度。在這一過程中,參賽大學(xué)生能夠?qū)eePMD-kit的模型構(gòu)建過程和AI+Science+HPC新范式建立直觀認(rèn)識。

對于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)。因為新范式需要HPC、科學(xué)計算、AI等不同學(xué)科背景人才充分“碰撞”帶來“化學(xué)反應(yīng)”,這有賴于一個創(chuàng)新生態(tài)的建立。他希望通過ASC大賽主辦方、協(xié)辦方和參賽選手的積極參與,有效推動AI+Science+HPC人才培養(yǎng)和生態(tài)建設(shè)。


ASC 世界大學(xué)生超算競賽由中國發(fā)起組織,并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機構(gòu)支持,旨在通過大賽平臺推動各國及地區(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)動力,促進科技與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。ASC超算大賽迄今已舉行至第 10屆,吸引超萬名世界各國大學(xué)生參賽,是全球最大規(guī)模的超算競賽。ASC22共有全球300多支高校隊伍參賽,經(jīng)初賽選拔的隊伍將參加5月7日-11日在位于合肥的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)舉行的總決賽。

消息來源:ASC亞洲超算協(xié)會
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