神威“Oceanlite”超算助力AI驅(qū)動(dòng)量子化學(xué)模擬，中國科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展
2016至2017年間，神威·太湖之光連續(xù)四次登頂全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單，成為中國高性能計(jì)算領(lǐng)域的里程碑產(chǎn)品。其繼任者神威“Oceanlite”自問世以來，雖保持低調(diào)，鮮少參與公開跑分排名，但卻在科研實(shí)戰(zhàn)中展現(xiàn)出強(qiáng)大實(shí)力。2025年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在“Oceanlite”平臺(tái)上利用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了真實(shí)分子尺度的高精度量子化學(xué)模擬，并將成果發(fā)表于高性能計(jì)算權(quán)威期刊IEEE TPDS，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域躋身世界前沿。
量子化學(xué)：理解微觀世界的關(guān)鍵
量子化學(xué)肩負(fù)著解析分子和原子層面微觀行為的重任，例如揭示電子云分布、化學(xué)鍵作用機(jī)制，幫助科學(xué)家理解化學(xué)反應(yīng)中具有決定性意義的“過渡態(tài)”。由于電子運(yùn)動(dòng)極其迅速，且受限于量子力學(xué)“觀測即擾動(dòng)”原理，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以捕捉到這些轉(zhuǎn)瞬即逝的納米級(jí)細(xì)節(jié)。
理論上，分子的量子行為遵循薛定諤方程。然而，隨著系統(tǒng)內(nèi)電子數(shù)量的增加，直接求解該方程所需計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)激增。舉例而言，一個(gè)含十個(gè)電子的小分子，其所有可能量子態(tài)就逾10萬億種，而現(xiàn)實(shí)的藥物分子、功能材料分子往往規(guī)模更大，復(fù)雜程度更高。
過去，研究人員主要依賴密度泛函理論（DFT）等近似算法，雖能應(yīng)對中等規(guī)模系統(tǒng)，但在描述強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)、化學(xué)鍵斷裂等極端現(xiàn)象時(shí)精度有限。量子計(jì)算機(jī)被寄予厚望，但受限于硬件發(fā)展瓶頸，尚無法承擔(dān)實(shí)際科研任務(wù)。因此，在可預(yù)見的未來，超算與AI結(jié)合成為攻克大規(guī)模量子化學(xué)難題的核心路徑。
Oceanlite超算：AI與硬件協(xié)同賦能量子化學(xué)
此次中國科大團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新，在于突破性地將Transformer神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入量子波函數(shù)建模，通過混合架構(gòu)有效識(shí)別和刻畫電子間的復(fù)雜多體關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了在大分子體系下的高精度模擬。團(tuán)隊(duì)針對神威“Oceanlite”所搭載的新一代SW26010-Pro處理器做出專項(xiàng)適配。該芯片具備高達(dá)384核心的單芯片并行能力，整機(jī)總核心規(guī)模達(dá)到4100萬，網(wǎng)絡(luò)通訊和向量計(jì)算能力大幅提升。
在具體框架設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)據(jù)并行NNQS-Transformer方案。管理核心（MPE）負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間高效協(xié)同，512位向量引擎的計(jì)算核心（CPE）主攻本地量子采樣、能量計(jì)算等重負(fù)載任務(wù)，保證大規(guī)模任務(wù)拆解與調(diào)度的高效性。更難能可貴的是，該組合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的強(qiáng)擴(kuò)展性和98%的弱擴(kuò)展性，意味著無論是提升問題規(guī)模還是增加計(jì)算核心數(shù)量，系統(tǒng)均能保持幾乎線性加速，顯著優(yōu)化了資源利用率。
針對量子化學(xué)計(jì)算的高度不規(guī)則性、復(fù)雜隨機(jī)性，團(tuán)隊(duì)在算法和開發(fā)語言層面也做了重點(diǎn)突破。采用可移植性極佳且性能優(yōu)異的Julia語言開發(fā)新一代高性能模擬代碼，底層配合超算硬件深度優(yōu)化，使得算法得以充分發(fā)揮4100萬核心的算力潛能。最終，該團(tuán)隊(duì)在超算平臺(tái)上成功模擬了包含120個(gè)自旋軌道的復(fù)雜分子系統(tǒng)，創(chuàng)下了經(jīng)典計(jì)算條件下AI驅(qū)動(dòng)量子化學(xué)建模的世界紀(jì)錄。
助力新材料、藥物研發(fā)，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間巨大
大規(guī)模AI量子化學(xué)模擬的實(shí)現(xiàn)，直接拓寬了化學(xué)、藥物、新材料等領(lǐng)域的創(chuàng)新邊界。通過精確還原分子反應(yīng)的微觀過程，科學(xué)家可以推演化學(xué)反應(yīng)路徑、鎖定最關(guān)鍵“過渡態(tài)”，從而在分子層面為人工光合制氫、綠色能源開發(fā)等新興產(chǎn)業(yè)提供原理指導(dǎo)。在藥物研發(fā)方面，模擬藥物分子與疾病靶點(diǎn)間的量子相互作用，有助于精準(zhǔn)預(yù)測分子結(jié)合能力與抑制機(jī)制，大大縮短新藥篩選周期、提升研發(fā)效率。材料科學(xué)領(lǐng)域，則可借助分子層面調(diào)控，設(shè)計(jì)具備高導(dǎo)電性、高催化性等特殊性能的新型材料，為固態(tài)電池、高效催化劑等前沿技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
生態(tài)協(xié)同將成中國超算“新方向”
神威“Oceanlite”雖然未繼續(xù)參與全球超算排名，但實(shí)際上正在引領(lǐng)中國企業(yè)和科研界從單純“算力競賽”轉(zhuǎn)型為“平臺(tái)落地、軟硬協(xié)同”的新賽道。這一工程既仰賴于國內(nèi)自研高性能計(jì)算芯片及超算系統(tǒng)在硬件層面持續(xù)突破，更需要算法、編程生態(tài)的高度適配。中國團(tuán)隊(duì)已成功證明，經(jīng)典超算與人工智能結(jié)合，不但在量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用到來之前仍有極大潛力可挖掘，更將助推我國高端科研、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新再上新臺(tái)階。
