北京2022年(nian)2月15日(ri) /美(mei)通社(she)/ -- 2022 ASC世(shi)界大學生超(chao)級計算機(ji)(ji)競賽(sai)（ASC22）已進入預賽(sai)階(jie)段，全球五大洲超(chao)過300支(zhi)隊伍正在向決賽(sai)席位發起沖擊，他們將(jiang)挑(tiao)戰(zhan)一項(xiang)前(qian)沿尖端應用(yong) -- 機(ji)(ji)器學習分子動力學DeePMD-kit訓練優化。該賽(sai)題(ti)將(jiang)引導大學生進行一場人(ren)工(gong)智能+科學研究(jiu)+高性能計算（AI+Science+HPC）的前(qian)沿探索。

DeePMD，AI+Science+HPC的新范式

分子動(dong)力學(xue)(xue)(xue)（Molecular Dynamics, MD）是一(yi)門(men)結合物(wu)(wu)理、數學(xue)(xue)(xue)和化學(xue)(xue)(xue)等(deng)多種學(xue)(xue)(xue)科的(de)綜合技術，其基本原理是通過(guo)牛頓經典(dian)力學(xue)(xue)(xue)計算物(wu)(wu)理系統(tong)中(zhong)各(ge)個原子的(de)運(yun)動(dong)軌跡，然后使用(yong)一(yi)定的(de)統(tong)計方法(fa)計算出系統(tong)的(de)力學(xue)(xue)(xue)、熱(re)力學(xue)(xue)(xue)、動(dong)力學(xue)(xue)(xue)性質。時下(xia)最熱(re)門(men)的(de)抗(kang)新(xin)冠病毒療法(fa)和疫(yi)苗研究就(jiu)是分子動(dong)力學(xue)(xue)(xue)的(de)典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)場景。

過去(qu)三十多年來(lai)，分(fen)(fen)子動力學(xue)研(yan)究主要利(li)用AIMD模擬方法(fa)，分(fen)(fen)析原子和(he)分(fen)(fen)子在固定時間段內如何(he)運動和(he)相互作(zuo)用。但這種方法(fa)只能研(yan)究千、萬數量級(ji)原子，以及(ji)皮秒時間尺度(du)的小型系統(tong)，對(dui)復雜的化(hua)學(xue)反應、電(dian)化(hua)學(xue)電(dian)池、納米晶體材料和(he)輻射破壞之類的模擬已經很難有所突破。

以(yi)機(ji)器學習、深度學習為(wei)代表的(de)(de)(de)(de)人工(gong)智能成為(wei)分(fen)子動(dong)力學研究的(de)(de)(de)(de)突破口。而人工(gong)智能+科(ke)學研究+高性能計(ji)算（AI+Science+HPC）則意味著AI的(de)(de)(de)(de)復雜數據處理(li)能力和Science的(de)(de)(de)(de)第一性原(yuan)理(li)與HPC的(de)(de)(de)(de)超強算力的(de)(de)(de)(de)結合。其代表性成果就是榮獲2020年(nian)戈登·貝爾獎的(de)(de)(de)(de)機(ji)器學習分(fen)子動(dong)力學應用(yong)DeePMD-kit。

DeePMD-kit成功推動(dong)了(le)(le)分(fen)子(zi)動(dong)力學(xue)的(de)(de)跨越式發展，而高(gao)性(xing)能(neng)計(ji)算的(de)(de)加入(ru)將機器學(xue)習分(fen)子(zi)動(dong)力學(xue)的(de)(de)潛力持續(xu)釋(shi)放。DeePMD-kit每天能(neng)夠模擬1億個原子(zi)超(chao)過(guo)1納秒(miao)（1納秒(miao)=1000皮(pi)秒(miao)）的(de)(de)軌跡，其(qi)在超(chao)級計(ji)算機頂點（Summit）上達到(dao)了(le)(le)雙精度91P的(de)(de)峰值性(xing)能(neng)，到(dao)解(jie)時間快于之前基線水平1000倍以(yi)上。可以(yi)說DeePMD-kit的(de)(de)出現，定義了(le)(le)AI+Science+HPC的(de)(de)新范式。

DeePMD賽(sai)題專(zhuan)家、戈登·貝爾獎獲得者(zhe)之一、深勢科技首席科學(xue)家張林峰表示：“AI+Science+HPC的結合有著非常廣(guang)闊的應用前(qian)景(jing)，其中AI具有對復雜數據的處理能(neng)(neng)力，以(yi)及(ji)對高(gao)維、非線型函數的表示能(neng)(neng)力，這些能(neng)(neng)力融入(ru)科學(xue)計算(suan)(suan)(suan)和高(gao)性(xing)能(neng)(neng)計算(suan)(suan)(suan)形(xing)成新的范式，極大地(di)提高(gao)了科學(xue)計算(suan)(suan)(suan)模擬(ni)現實(shi)世界(jie)的能(neng)(neng)力。” 

跨學科交叉碰撞，ASC22挑戰DeePMD優化

作(zuo)為AI+Science+HPC范式的(de)(de)代表，DeePMD將原(yuan)子(zi)間的(de)(de)相互(hu)作(zuo)用，由量(liang)子(zi)力(li)(li)學準確求(qiu)解(jie)的(de)(de)解(jie)作(zuo)為數據，然后(hou)通(tong)過AI的(de)(de)方式來表示這樣的(de)(de)原(yuan)子(zi)間所謂的(de)(de)勢能鏈、能量(liang)和受力(li)(li)，并進(jin)一步進(jin)行模型(xing)訓練，使(shi)得分子(zi)動力(li)(li)學的(de)(de)模擬工(gong)具(ju)兼具(ju)量(liang)子(zi)力(li)(li)學的(de)(de)精度，卻(que)能夠比量(liang)子(zi)力(li)(li)學的(de)(de)解(jie)決方案快多(duo)個數量(liang)級。

AI+Science+HPC具(ju)有廣(guang)泛的(de)應(ying)用(yong)(yong)前(qian)景，張林峰介紹(shao)說(shuo)：“DeePMD不(bu)只是在高性能(neng)計(ji)算上樹立了一(yi)個(ge)新(xin)的(de)范式，而且在很多實際科研過程(cheng)中被廣(guang)泛使用(yong)(yong)。過去幾年，物理(li)、化學(xue)(xue)、材料、天文(wen)、地質等各個(ge)學(xue)(xue)科都在利(li)用(yong)(yong)DeePMD去進行(xing)前(qian)沿的(de)科學(xue)(xue)探(tan)索，包括物質的(de)相圖(tu)、復雜的(de)化學(xue)(xue)反應(ying)等。”

在(zai)這個過(guo)(guo)程中(zhong)，AI+Science+HPC的(de)新范(fan)式也(ye)帶來了諸多底(di)層(ceng)支持的(de)新需求和新挑(tiao)戰，例如高性(xing)能硬(ying)件規模化之后(hou)的(de)調度優化等，這也(ye)是DeePMD賽題考察的(de)重點(dian)。參(can)賽選手(shou)需要在(zai)給定的(de)數據(ju)集上，使用DeePMD-kit對(dui)DeePMD模型進行(xing)(xing)訓(xun)練，并對(dui)訓(xun)練過(guo)(guo)程進行(xing)(xing)改進和分(fen)析，通過(guo)(guo)高性(xing)能優化提升訓(xun)練速度。在(zai)這一(yi)過(guo)(guo)程中(zhong)，參(can)賽大學生能夠對(dui)DeePMD-kit的(de)模型構建過(guo)(guo)程和AI+Science+HPC新范(fan)式建立直觀認識。

對于(yu)AI+Science+HPC新范(fan)式(shi)的本質需(xu)求，張(zhang)林峰認為是(shi)人(ren)才和生態(tai)。因(yin)為新范(fan)式(shi)需(xu)要HPC、科學(xue)計(ji)算、AI等不(bu)同學(xue)科背(bei)景人(ren)才充分“碰撞(zhuang)”帶來(lai)“化(hua)學(xue)反應”，這(zhe)有(you)賴于(yu)一個(ge)創新生態(tai)的建立。他希望通過ASC大賽主辦方、協辦方和參賽選手的積極參與(yu)，有(you)效推動AI+Science+HPC人(ren)才培養和生態(tai)建設。

ASC 世界大學生(sheng)超(chao)(chao)算(suan)競賽(sai)由中國(guo)(guo)發(fa)(fa)起組織(zhi)，并得到亞洲及歐(ou)美相關專家和(he)機構支(zhi)(zhi)持，旨在(zai)通(tong)過大賽(sai)平(ping)臺推動各國(guo)(guo)及地(di)區間超(chao)(chao)算(suan)青年人才交(jiao)流和(he)培(pei)養，提升超(chao)(chao)算(suan)應用水(shui)平(ping)和(he)研發(fa)(fa)能(neng)力，發(fa)(fa)揮超(chao)(chao)算(suan)的科(ke)技(ji)(ji)驅動力，促進科(ke)技(ji)(ji)與產業創新(xin)。ASC超(chao)(chao)算(suan)大賽(sai)迄今(jin)已舉行(xing)至第 10屆，吸(xi)引(yin)超(chao)(chao)萬名世界各國(guo)(guo)大學生(sheng)參(can)賽(sai)，是全球(qiu)最大規(gui)模(mo)的超(chao)(chao)算(suan)競賽(sai)。ASC22共有(you)全球(qiu)300多支(zhi)(zhi)高(gao)校隊(dui)伍參(can)賽(sai)，經初賽(sai)選拔的隊(dui)伍將參(can)加5月7日-11日在(zai)位于(yu)合(he)肥的中國(guo)(guo)科(ke)學技(ji)(ji)術(shu)大學舉行(xing)的總決賽(sai)。