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क्वांटम रसायन विज्ञान सिमुलेशन के लिए वैज्ञानिकों ने एक्सास्केल बाधा को तोड़ दिया

क्वांटम रसायन विज्ञान सिमुलेशन के लिए वैज्ञानिकों ने एक्सास्केल बाधा को तोड़ दिया

tech innovation 2022

क्रेडिट: CC0 पब्लिक डोमेन

पैडरबोर्न के वैज्ञानिकों प्रोफेसर थॉमस डी. कुहने और प्रोफेसर क्रिश्चियन प्लेस्ल के नेतृत्व में एक टीम एक कम्प्यूटेशनल विज्ञान अनुप्रयोग के लिए प्रमुख “एक्साफ्लॉप” बाधा को तोड़ने वाला दुनिया का पहला समूह बनने में सफल रही है – प्रति सेकंड 1 ट्रिलियन से अधिक फ्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशन – . इस उपलब्धि के साथ उन्होंने एक नया विश्व रिकॉर्ड बनाया है।

दो प्रोफेसर-प्लेसल, एक कंप्यूटर वैज्ञानिक और कुहने, एक रसायनज्ञ- ने वास्तविक दुनिया के वैज्ञानिक कंप्यूटिंग अनुप्रयोग में SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन के अनुकरण के दौरान एक्साफ्लॉप चुनौती को पार कर लिया। उन्होंने अमेरिका में नेशनल एनर्जी रिसर्च साइंटिफिक कंप्यूटिंग सेंटर (एनईआरएससी) में पर्लमटर सुपरकंप्यूटर की सहायता से सफलता हासिल की।

पर्लमटर वर्तमान में दुनिया का पांचवां सबसे तेज कंप्यूटर है। आधार एक नई सिमुलेशन विधि थी जिसे हाल के वर्षों में Plessl और Kühne ने विकसित किया और CP2K ओपन-सोर्स क्वांटम केमिस्ट्री सॉफ्टवेयर प्रोग्राम में एकीकृत किया।

दुनिया में सबसे तेज कंप्यूटर की दौड़

उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग की दुनिया में, प्रति सेकंड डबल (64-बिट) परिशुद्धता के साथ किए गए फ्लोटिंग-पॉइंट अंकगणितीय संचालन की संख्या सुपर कंप्यूटर के प्रदर्शन के लिए एक बेंचमार्क है। 1984 में, प्रति सेकंड एक अरब कंप्यूटिंग संचालन का आंकड़ा पहली बार पहुंच गया था – एक आंकड़ा जो आज हर स्मार्टफोन से आगे निकल गया है।

“विज्ञान के लिए उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग के बढ़ते महत्व ने सबसे तेज कंप्यूटर के लिए एक तेजी से प्रतिस्पर्धी तकनीकी दौड़ को जन्म दिया है। तब से, दुनिया भर में 500 सबसे तेज सुपर कंप्यूटरों की एक अद्यतन रैंकिंग हर छह महीने में प्रकाशित की जाती है,” प्लेस्ल, अध्यक्ष और बताते हैं पैडरबोर्न सेंटर फॉर पैरेलल कंप्यूटिंग (पीसी2) के प्रबंध निदेशक, जो विश्वविद्यालय में नोक्टुआ सुपरकंप्यूटर संचालित करता है।

अतिरिक्त मील के पत्थर 1997 में (1 ट्रिलियन ऑपरेशन प्रति सेकंड या एक टेराफ्लॉप) और 2008 (1 क्वाड्रिलियन ऑपरेशन या एक पेटाफ्लॉप) तक पहुंच गए थे। एक एक्सफ्लॉप के अगले प्रतीकात्मक चिह्न की दौड़ तुरंत गर्म हो गई। Plessl: “इस संख्या का आयाम तब स्पष्ट हो जाता है जब आप मानते हैं कि ब्रह्मांड लगभग 10 . है18 सेकंड पुराना। इसका मतलब यह है कि अगर एक इंसान ने बिग बैंग के समय से हर सेकेंड में गणना की होती, तो एक एक्सस्केल कंप्यूटर एक सेकंड में एक ही काम कर सकता था।”

चूंकि विज्ञान के डिजिटलीकरण में प्रौद्योगिकी नेतृत्व तेजी से अंतरराष्ट्रीय प्रतिस्पर्धा का मुद्दा बन गया है, पहले एक्सस्केल कंप्यूटर की दौड़ अब एक वैश्विक प्रतियोगिता में विकसित हो गई है, जिसे “21 वीं सदी की अंतरिक्ष दौड़” भी कहा जाता है।

पेसल कहते हैं, “हम वर्तमान में एक्सास्केल युग के शिखर पर हैं। यह व्यापक रूप से उम्मीद है कि 64-बिट फ्लोटिंग-पॉइंट अंकगणितीय संचालन के लिए एक्सास्केल थ्रेसहोल्ड को तोड़ने वाला पहला सुपरकंप्यूटर सार्वजनिक रूप से उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग पर अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन में घोषित किया जाएगा, आईएससी, मई के अंत में हैम्बर्ग हो रहा है।”

बड़े पैमाने पर समानांतर क्वांटम रसायन सिमुलेशन के लिए नई विधि

TOP500 सूची के लिए सुपरकंप्यूटर की गति निर्धारित करने के लिए मानक मूल्यांकन के रूप में, एक प्रोग्राम का उपयोग किया जाता है जो समीकरणों की एक बहुत बड़ी प्रणाली के लिए समाधान समय की गणना करता है। Plessl इस पर व्याख्या करता है: “कार्यक्रम के उत्कृष्ट समानांतर गुणों के कारण, सुपर कंप्यूटर सैद्धांतिक रूप से अधिकतम उपलब्ध कंप्यूटिंग शक्ति के बहुत अधिक अनुपात का उपयोग कर सकते हैं। इस माप पद्धति की एक आलोचना यह है कि कंप्यूटिंग शक्ति का उपयोग व्यावहारिक वास्तविक के लिए किया जा सकता है- विश्व वैज्ञानिक अनुप्रयोग अक्सर अधिकतम कंप्यूटिंग क्षमता का केवल एक छोटा सा अंश होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कम्प्यूटेशनल कार्यों का वितरण, डेटा का हस्तांतरण, और सैकड़ों हजारों कंप्यूटिंग तत्वों पर निष्पादन का समन्वय आमतौर पर प्रमुख प्रशासनिक समय और व्यय शामिल होता है। ”

बड़े पैमाने पर समानांतर सुपर कंप्यूटरों की कंप्यूटिंग शक्ति का अधिक कुशलता से उपयोग करने के लिए अनुकूलित सिमुलेशन विधियों और एल्गोरिदम का विकास इसलिए कम्प्यूटेशनल विज्ञान के क्षेत्र में एक प्रमुख शोध विषय है। प्लेस्ल और कुहने और उनकी टीम ने इस चुनौती को स्वीकार किया है। रासायनिक प्रणालियों के अनुकरण के लिए एक्सास्केल कंप्यूटर का उपयोग करने के संदर्भ में, उन्होंने 2020 में मैट्रिक्स फ़ंक्शंस की अनुमानित गणना के लिए सबमैट्रिक्स विधि प्रस्तुत की, एक नई विधि जो आदर्श रूप से एक्सास्केल सुपर कंप्यूटर की आवश्यकताओं के अनुरूप है। विधि का मूल एक दृष्टिकोण है जिसमें छोटे घने मैट्रिसेस पर कई स्वतंत्र गणना की जाती है। कुहने कहते हैं, “यह वास्तव में इस प्रकार के संचालन हैं जिन्हें GPU त्वरण हार्डवेयर से लैस अत्यंत शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों पर बहुत उच्च कंप्यूटिंग शक्ति और ऊर्जा दक्षता के साथ निष्पादित किया जा सकता है।”

ज्यूवेल्स बूस्टर सुपरकंप्यूटर पर रिकॉर्ड आकार का अनुकरण

2021 में, पैडरबोर्न वैज्ञानिकों ने पहले से ही जूलिच सुपरकंप्यूटिंग सेंटर में ज्यूवेल्स बूस्टर पर 102 मिलियन परमाणुओं के साथ HI-वायरस के सिमुलेशन का प्रदर्शन किया, जो उस समय यूरोप में सबसे तेज़ सुपरकंप्यूटर था (अब दुनिया भर में 8 वां स्थान पर है), जिससे एक सबसे बड़े इलेक्ट्रॉन संरचना-आधारित ab ​​initio आणविक गतिकी सिमुलेशन के लिए रिकॉर्ड। इस सिमुलेशन ने मिश्रित-सटीक फ्लोटिंग-पॉइंट अंकगणित में 324 पेटाफ्लॉप्स का कंप्यूटिंग प्रदर्शन और सैद्धांतिक रूप से उपलब्ध कंप्यूटिंग शक्ति की 67.7% की दक्षता हासिल की, जो इस एप्लिकेशन डोमेन के लिए एक उल्लेखनीय आंकड़ा है। जुलिच में रिकॉर्ड-सेटिंग सिमुलेशन के बाद से, GPU हार्डवेयर त्वरक का उपयोग करने की दक्षता बढ़ाने के लिए विधि को लगातार अनुकूलित किया गया है।

अभ्यास में विधि की एक्सस्केल क्षमता का परीक्षण करने के लिए, टीम अमेरिका में राष्ट्रीय ऊर्जा अनुसंधान वैज्ञानिक कंप्यूटिंग केंद्र (एनईआरएससी) में पर्लमटर सुपरकंप्यूटर तक पहुंच प्राप्त करने में सक्षम थी। कंप्यूटिंग के लिए 64-बिट परिशुद्धता के बजाय मिश्रित 32-/16-बिट परिशुद्धता का उपयोग करते समय कंप्यूटर के पास एक्सास्केल बाधा को तोड़ने के लिए पर्याप्त संसाधन हैं। इस प्रकार इस पद्धति को अनुमानित कंप्यूटिंग के संदर्भ में वर्गीकृत किया जा सकता है, जो – सरल शब्दों में – सटीक मानों के बजाय अनुमानित के साथ काम करता है।

“फिर अप्रैल में, जब 4,400 GPU त्वरक का उपयोग करके SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन का अनुकरण करते हुए, हमने एक्सफ़्लॉप थ्रेशोल्ड को तोड़ दिया और अनुप्रयोग के कंप्यूटिंग समय-महत्वपूर्ण भाग में मिश्रित-सटीक अंकगणित में 1.1 एक्सफ़्लॉप्स तक पहुँच गया,” Plessl कहते हैं। “संदर्भ के एक फ्रेम के रूप में, एक एकल सिमुलेशन चरण में 83 मिलियन परमाणुओं के लिए 42 सेकंड लगते हैं, जिसका अर्थ है कि लगभग 47 x 1018 फ़्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशंस प्रक्रिया में किए जाते हैं। स्मृति आवश्यकताओं के लिए लेखांकन नहीं, इस तरह की गणना में पहले पेटाफ्लॉप्स सिस्टम, 2008 में रोडरनर सुपरकंप्यूटर के साथ लगभग 13 घंटे और पहले टेराफ्लॉप्स सिस्टम के साथ लगभग 1.5 साल लगेंगे, एएससीआई रेड 1997 में इस्तेमाल किया गया था।

पैडरबोर्न वैज्ञानिक पहले से ही अपने अगले तख्तापलट पर काम करने में व्यस्त हैं: “रसायन विज्ञान और ठोस-राज्य भौतिकी में परमाणु सिमुलेशन के लिए स्वर्ण मानक घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत विधि है। हमें पूरा विश्वास है कि हम इस क्षेत्र में सबमैट्रिक्स विधि को लागू करने में सफल होंगे। अच्छा,” कुहने कहते हैं।


सुपरकंप्यूटर ने दुनिया के सबसे तेज, ब्रेकिंग एक्सस्केल बैरियर के रूप में शुरुआत की


पैडरबोर्न विश्वविद्यालय द्वारा प्रदान किया गया

उद्धरण: वैज्ञानिकों ने क्वांटम केमिस्ट्री सिमुलेशन (2022, जून 1) के लिए एक्सास्केल बैरियर से 2 जून 2022 को पुनः प्राप्त किया

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