Bước đột phá đến từ các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Siêu máy tính Jülich (JSC), nơi đặt siêu máy tính Jupiter, khi hợp tác với chuyên gia của Nvidia. Theo Interesting Engineering, thành tựu được đánh giá "đẩy siêu máy tính truyền thống đến giới hạn vật lý, đánh dấu cột mốc quan trọng cho sự phát triển thuật toán trước khi máy lượng tử đi vào ứng dụng thực tế".
Một góc siêu máy tính Jupiter được đặt bên trong Trung tâm Siêu máy tính Jülich. Ảnh: Forschungszentrum Jülich
Qubit (bit lượng tử) là đơn vị cơ bản của thông tin trong máy tính lượng tử, tương tự bit trong máy tính nhưng mạnh hơn. Thay vì chỉ có hai trạng thái 0 hoặc 1 như máy tính thông thường, qubit có thể tồn tại đồng thời trong cả hai trạng thái nhờ hiện tượng chồng chập lượng tử (Quantum Superposition). Khi nhiều qubit được liên kết lượng tử (Quantum Entanglement), chúng có thể xử lý song song hàng triệu khả năng cùng lúc. Đặc tính này giúp máy tính lượng tử có tiềm năng vượt xa máy tính truyền thống trong các lĩnh vực như mô phỏng vật liệu, mật mã học và cả AI.
Trong bối cảnh máy tính lượng tử chưa thể ứng dụng thực tế, mô phỏng lượng tử trên siêu máy tính truyền thống đang đóng vai trò là cơ sở thử nghiệm cho các công nghệ lượng tử của tương lai. Chúng cho phép nhà khoa học khám phá các phương pháp mô hình hóa phân tử như Variableal Quantum Eigensolver (VQE), hay Thuật toán tối ưu hóa xấp xỉ lượng tử (QAOA) trước khi các bộ xử lý lượng tử có thể chạy chúng một cách đáng tin cậy.
Tuy nhiên, việc mô phỏng mạch lượng tử trên máy móc cổ điển được đánh giá vô cùng khó khăn. Mỗi qubit khi thêm vào sẽ tăng gấp đôi yêu cầu về bộ nhớ và tính toán, tạo ra một sự gia tăng theo cấp số nhân, nhanh chóng vượt quá khả năng xử lý ngay cả phần cứng tiên tiến nhất.
Ví dụ, một máy tính xách tay có thể dùng bộ mô phỏng máy tính lượng tử để xử lý hoạt động khoảng 30 qubit, nhưng việc mô phỏng 50 qubit đòi hỏi 2 petabyte bộ nhớ và sự phối hợp hoàn toàn của Nvidia DGX GH200 - siêu chip đang có mặt trong Jupiter. "Chỉ có những siêu máy tính lớn nhất thế giới mới có thể mang lại khả năng đó, minh họa cho sự gắn kết chặt chẽ giữa tiến bộ trong điện toán hiệu năng cao và nghiên cứu lượng tử", giáo sư Kristel Michielsen của JSC cho biết.
Các chuyên gia cho biết bộ mô phỏng 50 qubit của JSC, có tên Jülich Universal Quantum Computer Simulator (JUQCS), giúp tái tạo chính xác các đặc tính vật lý của bộ xử lý lượng tử thực sự. Mỗi cổng lượng tử ảnh hưởng đến hơn 2.000 tỷ số phức, tất cả đều được đồng bộ hóa trên hàng nghìn nút tính toán. Quy mô này khiến những mô phỏng trước đây gần như bất khả thi.
Phiên bản mới nhất của JUQSC là JUQCS-50 cho phép khai thác kiến trúc bộ nhớ lai của GH200, tạm thời chuyển dữ liệu từ bộ nhớ GPU sang bộ nhớ CPU với mức giảm hiệu suất tối thiểu. Phương pháp nén mã hóa byte mới giúp giảm nhu cầu bộ nhớ xuống gấp 8 lần, trong khi thuật toán động liên tục tối ưu truyền dữ liệu giữa hơn 16.000 GH200 trong quá trình mô phỏng.
"Với JUQCS-50, chúng tôi có thể mô phỏng máy tính lượng tử phổ thông với độ trung thực cao và giải quyết những câu hỏi mà chưa có bộ xử lý lượng tử nào hiện có thể giải quyết được", giáo sư Hans De Raedt, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết.
Mô phỏng sẽ được tích hợp vào Cơ sở hạ tầng thống nhất Jülich về điện toán lượng tử (JUNIQ), nơi nhà nghiên cứu và công ty bên thứ ba có thể tiếp cận công cụ này. JUQCS-50 được định hướng vừa là công cụ nghiên cứu, vừa là chuẩn mực cho siêu máy tính thế hệ tiếp theo về mô phỏng lượng tử.
Jupiter là siêu máy tính "exascale" đầu tiên của châu Âu, có thể thực hiện ít nhất một tỷ tỷ phép tính mỗi giây. Siêu máy tính được đặt trong trung tâm rộng khoảng 3.600 m2, tương đương 1/2 sân bóng đá, chứa các giá đỡ bộ xử lý và trang bị khoảng 24.000 chip Nvidia mà ngành công nghiệp AI ưa chuộng. Một nửa trong số 580 triệu USD để phát triển và vận hành hệ thống trong vài năm tới đến từ Liên minh châu Âu và phần còn lại do Đức cung cấp. Các nhà nghiên cứu và công ty hoạt động trong nhiều lĩnh vực có thể tiếp cận sức mạnh tính toán khổng lồ của cỗ máy để đào tạo mô hình AI. Jupiter là siêu máy tính đầu tiên có thể cạnh tranh trên trường quốc tế trong đào tạo mô hình AI ở châu Âu, vốn tụt hậu so với Mỹ và Trung Quốc ở lĩnh vực này.
Bảo Lâm (theo Arxiv, Interesting Engineering)
- Siêu máy tính có thể giúp châu Âu bứt tốc trong cuộc đua AI
- Siêu máy tính AI của Tesla sụp đổ thế nào?
- 10 siêu máy tính mạnh nhất thế giới
- Nhật Bản sẽ chế tạo siêu máy tính AI nhanh nhất thế giới