IBM trình bày kiến trúc mới cho siêu tính toán lượng tử trong các môi trường hiệu suất cao

IBM đã giới thiệu một kiến trúc tham khảo kết nối siêu máy tính lượng tử với hệ thống hiệu năng cao cổ điển để thúc đẩy khám phá khoa học và mô phỏng phức tạp.

IBM trình bày bản thiết kế siêu máy tính tập trung vào lượng tử đầu tiên

IBM đã công bố cái gọi là kiến trúc tham khảo đầu tiên trong ngành về siêu máy tính tập trung vào lượng tử, chi tiết cách các bộ xử lý lượng tử có thể tích hợp chặt chẽ vào môi trường siêu máy tính hiện đại. Công ty lập luận rằng phương pháp thống nhất này sẽ trở nên thiết yếu khi phần cứng lượng tử tiến tới các ứng dụng thực tế.

Hiện nay, máy tính lượng tử đang tiến bộ hướng tới các mô phỏng hữu ích các hệ lượng tử phức tạp. Hơn nữa, các thuật toán lai lượng tử - cổ điển mới nổi đã bắt đầu mang lại kết quả có ý nghĩa trong các lĩnh vực như hóa học và khoa học vật liệu, nơi cơ học lượng tử đóng vai trò trung tâm.

Tuy nhiên, khả năng giải quyết các vấn đề khoa học lớn vẫn còn hạn chế. Thách thức chính là sự tách biệt của chúng khỏi hạ tầng HPC cổ điển hiện có, vẫn phụ thuộc vào việc chuyển dữ liệu thủ công và phối hợp tùy ý giữa hệ thống lượng tử và cổ điển.

Tích hợp tài nguyên lượng tử, GPU và CPU

Để khắc phục điều này, IBM đề xuất một kiến trúc kết hợp các bộ xử lý lượng tử, hay QPU, với GPU và CPU qua các cụm máy tại chỗ, trung tâm nghiên cứu quốc gia và nền tảng đám mây. Mô hình này được thiết kế để các công nghệ tính toán khác nhau có thể hợp tác giải quyết các vấn đề vượt ngoài khả năng của bất kỳ hệ thống đơn lẻ nào.

Bản thiết kế tạo ra một môi trường tính toán thống nhất, kết hợp phần cứng lượng tử với các nguồn lực cổ điển, bao gồm các cụm CPU và GPU, mạng tốc độ cao và lưu trữ chia sẻ. Hơn nữa, sự kết hợp này nhằm hỗ trợ các khối lượng công việc nặng cùng với phát triển thuật toán, đồng thời làm cho việc sử dụng bộ xử lý lượng tử với GPU trong quy trình làm việc quy mô sản xuất dễ dàng hơn.

Trong thực tế, thiết kế hướng tới tối ưu hóa quy trình phối hợp công việc lượng tử - cổ điển, giúp các nhà khoa học không cần quản lý thủ công việc di chuyển dữ liệu giữa các bộ xử lý. Tuy nhiên, kiến trúc vẫn dựa vào phần mềm trung gian và trừu tượng để che giấu độ phức tạp bên dưới khỏi người dùng cuối.

Lộ trình ba giai đoạn cho hệ thống tích hợp

Các nhà khoa học của IBM mô tả lộ trình ba giai đoạn hướng tới hệ thống lượng tử - cổ điển hoàn chỉnh có thể hỗ trợ quy trình khoa học từ đầu đến cuối. Giai đoạn đầu tập trung vào việc triển khai các bộ tăng tốc QPU trong môi trường HPC, nơi các bộ xử lý lượng tử hoạt động như các bộ tăng tốc chuyên dụng gắn vào siêu máy tính hiện có.

Trong giai đoạn thứ hai, IBM hình dung các nền tảng lai đa dạng được hỗ trợ bởi phần mềm trung gian, giúp trừu tượng hóa độ phức tạp của hệ thống. Hơn nữa, các nền tảng này sẽ cho phép các nhà phát triển xem các nguồn lực lượng tử, CPU và GPU như các thành phần của một hệ thống hợp nhất, thay vì các máy riêng biệt cần quản lý riêng biệt.

Cuối cùng, giai đoạn thứ ba hướng tới các hệ thống lượng tử - cổ điển được tối ưu hóa hoàn toàn từ đầu để hỗ trợ toàn bộ quy trình làm việc. Ở giai đoạn này, tính toán lượng tử và siêu máy tính sẽ được liên kết chặt chẽ để phân chia tải công việc một cách linh hoạt giữa các nguồn lực lượng tử và cổ điển dựa trên yêu cầu về hiệu suất và độ chính xác.

Hệ thống phần mềm và quyền truy cập dành cho nhà phát triển

Với nền tảng này, IBM dự định hỗ trợ các quy trình phối hợp chạy song song lượng tử và cổ điển trong cùng một ứng dụng. Công ty nhấn mạnh việc phối hợp tích hợp và các khung phần mềm mở là các thành phần then chốt của kiến trúc.

Cụ thể, IBM chỉ ra khung phần mềm mở Qiskit như một cách để các nhà phát triển và nhà khoa học truy cập khả năng lượng tử bằng các công cụ quen thuộc. Hơn nữa, bằng cách mở rộng các nguồn lực lượng tử qua các giao diện tiêu chuẩn, IBM kỳ vọng sẽ mở rộng việc ứng dụng trong các lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và tối ưu phức tạp.

Công ty lập luận rằng, theo thời gian, hệ sinh thái này có thể cho phép mô phỏng hóa học quy mô lớn cho siêu máy tính lượng tử và các khối lượng công việc đòi hỏi cao khác. Tuy nhiên, việc hiện thực hóa tầm nhìn này sẽ phụ thuộc vào tiến bộ liên tục của cả phần cứng lượng tử và hạ tầng cổ điển.

Ảnh hưởng khoa học và tầm nhìn dài hạn

Các lãnh đạo của IBM xem nỗ lực này như một bước tiến hướng tới kỷ nguyên mới của siêu máy tính và tính toán lượng tử. Theo công ty, mục tiêu không phải là thay thế các máy cổ điển, mà là kết hợp sức mạnh của chúng với phần cứng lượng tử trong một kiến trúc thống nhất.

“Các bộ xử lý lượng tử ngày nay bắt đầu giải quyết những phần khó nhất của các vấn đề khoa học—những vấn đề điều khiển bởi cơ học lượng tử trong hóa học,” ông Jay Gambetta, Giám đốc Nghiên cứu IBM và Fellow của IBM, nói. Ông nhấn mạnh rằng tiến bộ này đã rõ ràng trong các dự án nghiên cứu ban đầu.

“Tương lai nằm trong siêu máy tính lượng tử, nơi các bộ xử lý lượng tử hợp tác cùng hệ thống hiệu năng cao cổ điển để giải quyết các vấn đề trước đây nằm ngoài tầm với. IBM đang xây dựng công nghệ và hệ thống đưa tương lai của tính toán này trở thành hiện thực ngay hôm nay,” ông khẳng định.

Tổng thể, kiến trúc tham khảo của IBM nhằm cung cấp lộ trình kỹ thuật rõ ràng để kết hợp nguồn lực lượng tử và cổ điển, định vị công ty ở trung tâm của cảnh quan siêu máy tính tập trung vào lượng tử đang nổi lên.