中国次世代スーパーコンピュータ「神威・海洋之光（Oceanlite）」成果発表、画期的な技術ブレイクスルーを実現

10月23日、海外メディアvastdataの報道によると、中国の科学者らは自国開発のAIモデルと次世代E級（エクサスケール）スーパーコンピュータ「神威・海洋之光（Oceanlite）」を活用し、分子スケールでの複雑な量子化学モデリングに成功した。これは重要な技術的ブレイクスルーで、関連する研究成果は「IEEE」の公式サイトに掲載された。

通常、科学研究におけるシミュレーションの多くは、膨大な計算量を必要とするためスーパーコンピュータで行われる。特に指数関数的に相互作用状態が増加する分子の量子挙動をシミュレーションする研究では、より強力な計算能力を持つ量子コンピュータ（ただし現状では未成熟）が必要となるか、現代のスーパーコンピュータで処理可能なよう簡略化する必要がある。

量子力学における量子状態（波動関数Ψで記述）は、分子内の電子などの粒子の位置・スピン・エネルギー準位など、量子システムの全ての可能な構成とその確率を決定する。粒子数が増加すると状態空間が指数関数的に拡大するため、現行の古典的スーパーコンピュータでのシミュレーションはほぼ不可能となる。

この課題に対し、科学者らは分子構造・反応・エネルギー記述の精度を維持しつつ量子方程式を簡略化する様々な近似手法を採用してきた。しかし既存の波動関数近似法は小分子への適用に限界があった。

このような量子多体システムはニューラルネットワーク手法で解くことができるが、神経ネットワーク量子状態（NNQS）の大規模電子構造解析への実用化には、高いサンプリングコストと局所エネルギー計算の複雑さが課題となっていた。

これらの障壁を克服するため、中国研究チームは画期的なデータ並列型NNQS-Transformerを提案した。120スピン軌道システムで実験を実施し、分子の波動関数を近似する神経ネットワークを訓練し、電子が最も存在し得る位置を特定した。また、各サンプリング電子配置について、システムは局所エネルギーを計算し、分子の実際の量子エネルギー特性と一致するまでネットワークを調整する。

中国の科学者らは独自開発のNNQS-Transformerモデルと、神威（Sunway）SW26010-Pro CPUを搭載した「海洋之光（Oceanlite）」スーパーコンピュータの連携により、最大120スピン軌道系を含むシステムにおける包括的な量子化学計算を実現した。

具体的にSW26010-ProはSW26010の改良版で、6つのコアモジュールと1つのプロトコル処理ユニット（PPU）で構成されている。各モジュールは1つのLinuxスレッド管理コア（MPE）と64の計算コアを有し、合計384コアを搭載している。前世代のSW26010（4コアグループ）と比較し、SW26010 proの単一チップで50%の性能向上を達成している。

SW26010-Proプロセッサの384計算コアは、64基（8×8）ごとに256KB L2キャッシュを共有する計算処理ユニット（CPE）を構成する。各CPEは4つの論理ブロックを持ち、1組でFP64/FP32、もう１組でFP16/BF16演算をサポートする。

さらに、研究チームは階層型通信モデルを設計した。これは管理コアがプロセッサとノード間の調整を担当し、512ビットベクトルエンジンを備えた数百万の「軽量」2-wide （CPE）がローカル量子計算を実行する設計だ。その他、科学者らは不均一な計算負荷によるコアイドル状態を防ぐために、動的負荷分散アルゴリズムを開発した。

最終的に中国科学者チームは、「海洋之光」の3700万プロセッサコア（最大構成では10万ノード・4100万コア超、FP16性能5 Exaflop/s超、FP64理論ピーク性能1.5 Exaflops）でコードを実行し、92%の強スケーリング効率と98%の弱スケーリング効率を達成した。この規模において極めて高い効率性は、開発者がソフトウェアとハードウェアのほぼ完璧な同期を実現したことを示しており、中国スーパーコンピュータ界の重要な成果となった。

これまで、120スピン軌道を持つ分子系のシミュレーションは、従来のスーパーコンピュータで実施されたAI駆動型量子化学計算としては史上最大規模だ。これは、NNQS計算を実世界の量子化学応用に实用化する重要な一歩となるだけでなく、中国の同分野における画期的な技術進展を象徴する成果だという。

（原文：https://www.icsmart.cn/97884/）