五個備受矚目的 HPC 獎決賽入圍項目憑借 Alps、JUPITER 和 Perlmutter 超級計算機的支持在氣候建模、流體模擬等領域取得了重大突破。

戈登·貝爾獎的五個 HPC 獎決賽入圍項目正在使用由 NVIDIA 技術(shù)驅(qū)動的超級計算機開展氣候建模、材料科學、流體模擬、地球物理學和電子設計等領域的關(guān)鍵研究工作。

本周在SC25上發(fā)布的這些決賽入圍項目運用物理模擬、高精度數(shù)學運算及其他先進超算技術(shù)，正在推動 AI 與 HPC 在科學領域的應用，加速天氣預報、半導體設計、太空探索等諸多領域的突破性進展。這些研究成果已發(fā)布于 ArXiv，可供公開獲取。

支撐這些研究的超級計算機包括：

Alps——部署于瑞士國家超級計算中心 (CSCS)，其計算能力由超過 10,000 顆NVIDIA Grace Hopper 超級芯片提供。

Perlmutter——部署于美國國家能源研究科學計算中心 (NERSC)，由 NVIDIA 加速計算驅(qū)動。

JUPITER——歐洲首臺 Exascale 級超級計算機，部署于于利希超級計算中心 (JSC)，搭載 NVIDIA Grace Hopper 平臺及 Quantum-X800 InfiniBand 網(wǎng)絡。

“在 CSCS，我們不止于支持開放科學，更全力加速其向前。”CSCS 總監(jiān) Thomas Schulthess 表示，“本年度的五項戈登·貝爾獎決賽成果，在氣候建模、材料科學、流體力學及數(shù)字孿生領域取得的非凡突破，正是無可辯駁的證明：如果沒有 Alps 超級計算機，這些科學發(fā)現(xiàn)便無從談起。拓展計算疆界能讓宏偉藍圖化為現(xiàn)實，推動科學革命重塑我們的世界。”

更多有關(guān)本屆五項決賽入圍項目的創(chuàng)新成果詳情如下：

ICON：公里尺度地球模擬

馬克斯·普朗克氣象研究所、德國氣候計算中心、瑞士國家超級計算中心、于利希超級計算中心、蘇黎世聯(lián)邦理工學院及 NVIDIA 的研究人員共同開發(fā)了一種新的ICON 地球系統(tǒng)模型配置，有望實現(xiàn)更精準的天氣預報，并深化人類對地球運行機制的理解。

通過在公里尺度上模擬整個地球系統(tǒng)，ICON 能夠以卓越的細節(jié)和前所未有的時間壓縮，捕捉大氣、海洋和陸地間能量、水和碳的流動。其獨特優(yōu)勢在于，每 24 小時可模擬約 146 天的狀態(tài)，從而能進行更高效的氣候模擬，將預測范圍延伸至未來數(shù)十年。

馬克斯·普朗克氣象研究所計算基礎設施和模型開發(fā)組負責人 Daniel Klocke 表示：“ICON 模型以 1 公里的空前分辨率整合了地球系統(tǒng)的所有關(guān)鍵要素，使研究人員能夠在局部尺度上觀測完整的全球地球系統(tǒng)信息，并深入了解未來氣候變暖對人類和生態(tài)系統(tǒng)的影響?！?/p>

ORBIT-2：用于天氣與氣候建模的 Exascale 級視覺基礎模型

ORBIT-2 是由橡樹嶺國家實驗室、NVIDIA 等機構(gòu)共同開發(fā)的天氣與氣候降尺度 AI 基礎模型，其在 Alps 超級計算機上運行。該模型展現(xiàn)出卓越的可擴展性與精確度。

ORBIT-2 借助Exascale級計算能力與算法創(chuàng)新，通過空間超高分辨率降尺度技術(shù)成功突破了傳統(tǒng)氣候模型面臨的瓶頸——該技術(shù)能將低分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高分辨率數(shù)據(jù)。這使得研究團隊如今能夠精準捕捉并預測更小尺度的局部現(xiàn)象，例如城市熱島效應、極端降水事件以及季風模式的細微變化。

QuaTrEx：通過納米尺度器件建模推動晶體管設計革新

蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊通過QuaTrEx 算法套件，在納米尺度電子器件建模領域取得重大突破，將有力推動下一代晶體管的設計進程。

在 Alps 超級計算機與 NVIDIA Grace Hopper 超級芯片的驅(qū)動下，QuaTrEx 能夠以 FP64 精度和極致并行計算效率，完成超過 45,000 個原子尺度的器件模擬。這一突破能更快、更精確地設計 NREFT 的晶體管，該技術(shù)對半導體產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院計算納米電子學全職教授 Mathieu Luisier 表示：“Alps 對 QuaTrEx 項目的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。這讓我們能夠模擬那些在幾個月前還難以想象的器件。”

基于 MFC 流動求解器的航天器全尺度空前規(guī)模模擬

在設計航天器，尤其是配備多臺小型發(fā)動機的型號時，必須進行精細化的模擬，因為密集排列的發(fā)動機噴流會相互干擾，導致火箭底部溫度急劇升高。

由佐治亞理工學院與 NVIDIA 等機構(gòu)共同開發(fā)的開源求解器MFC，目前正運行于 Alps 超級計算機之上，其能夠以 4 倍的速度進行流體流動模擬，同時保持與前世界紀錄相同的精度且能效提升超過 5 倍。根據(jù)在 Alps 超級計算機上完成的全尺度測試，MFC 有望在 JUPITER 超級計算機上實現(xiàn)比前世界紀錄高 10 倍的模擬規(guī)模，這為太空探索關(guān)鍵部件的設計與優(yōu)化開辟了更快速、更精準的新路徑。

佐治亞理工學院計算科學與工程助理教授 Spencer Bryngelson 表示：“我們創(chuàng)新的信息幾何正則化方法，結(jié)合 NVIDIA Grace Hopper 超級芯片的統(tǒng)一虛擬內(nèi)存與混合精度能力，極大提升了復雜計算流體模擬的效率，使我們能夠在前所未有的規(guī)模上模擬火箭發(fā)動機羽流。”

用于海嘯預警的數(shù)字孿生系統(tǒng)

由德克薩斯大學奧斯汀分校、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室及加州大學圣迭戈分校組成的聯(lián)合研究團隊，成功研發(fā)出全球首個能做出全物理模型實時發(fā)布概率性海嘯預報的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

當這套數(shù)字孿生系統(tǒng)應用于太平洋西北部的卡斯卡迪亞俯沖帶時，其在 Alps 與 Perlmutter 超級計算機上，僅用 0.2 秒就完成了非常復雜的計算，而這些計算如果在 512 塊 GPU 上運行通常需要 50 年才能完成，其實現(xiàn)了 100 億倍的加速。

德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程教授 Omar Ghattas 表示：“這是首次能夠?qū)崟r傳感器數(shù)據(jù)與全物理建模及不確定性量化技術(shù)快速結(jié)合，使人們有機會在災難發(fā)生前采取應對措施。該框架為開發(fā)基于物理模型的面向各類災害的預測性應急響應系統(tǒng)提供了通用的技術(shù)基礎?！?/p>

在構(gòu)建海嘯數(shù)字孿生、ICON 氣候模型與 MFC 流動求解器的過程中，NVIDIA CUDA-X庫在最大化復雜模擬的性能與效率方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。ICON 還利用了NVIDIA CUDA Graphs，該技術(shù)允許將工作定義為圖結(jié)構(gòu)，而非單一操作。