ISCでJUPITERが示すエクサスケール科学の姿

欧州初のエクサスケールスーパーコンピューターJUPITERは、ドイツのユーリッヒ研究センター（Forschungszentrum Jülich）に設置され、NVIDIA Grace HopperスーパーチップとNVIDIA Quantum-X800 InfiniBandネットワーキングを搭載しています。過去1年で目覚ましい成果を上げてきました。今週、国際スーパーコンピューティングコミュニティがハンブルクで開催されたISCに集まる中、JUPITER上で実行されている4つのプロジェクトが、エクサスケールコンピューティングの実際の能力を示しています。すなわち、細胞スケールでの人間の脳のマッピング、1km解像度での地球全体の気候シミュレーション、次世代無線ネットワークのためのAIシステムの構築、そして汎用50量子ビット量子コンピューターのシミュレーションです。

ユーリッヒスーパーコンピューティングセンター所長でゲーテ大学フランクフルト校教授のThomas Lippert氏は、「JUPITERによって、欧州はエクサスケール時代に参加するだけでなく、世界中のどのシステムよりも幅広い科学とAIの分野でリードしています」と述べています。これら4つのプロジェクトに共通するのは、従来のハードウェアでは手が届かなかった科学的課題が、エクサスケールで解決可能になったという点です。

脳マッピングの基盤モデル

ユーリッヒ脳地図プロジェクト（ユーリッヒ神経科学医学研究所（INM-1）が中心となり、Helmholtz AI、提携病院、その他のHelmholtz機関と協力）は、脳微小構造解析のための基盤モデルCytoNetを開発しました。人間の脳の複雑さは驚異的で、860億のニューロンと約100兆の結合を持ち、単一ニューロンレベルでの脳機能の理解はこれまで不可能でした。研究は、神経科学者Katrin Amunts氏とコンピューター科学者Christian Schiffer氏が主導しています。このモデルは、細胞スケールの脳画像データから学習し、個々の細胞構造を脳の組織と機能のより広範なパターンに結びつけるマップを構築します。

トレーニングはJUPITER上で5日未満で完了し、21の死後脳からの6.5ペタバイトのデータを4,096基のNVIDIA Grace Hopperスーパーチップで処理しました。この成果を説明する論文はarXivで公開されています。Amunts氏は、「初めて、AIを使って脳を分析するだけでなく、実験自体を考えることができるエージェントを構築しています。これにより神経科学が変わり、JUPITERがその言葉を今日言えるようにしたのです」と述べています。このエージェントがチームの次のステップであり、脳研究者向けのAIエージェントを構築し、マルチモーダル推論、言語インターフェース、Q&A機能を、NVIDIA Nemotron 3 120Bを含むオープンモデルを使用して統合し、科学者が直接脳データを調査できるAIアシスタントを目指しています。

キロメートル解像度の気候シミュレーション

ETHチューリッヒ、ドイツ気候計算センター（DKRZ）、ユーリッヒスーパーコンピューティングセンター（JSC）、マックスプランク気象研究所、NVIDIA、スイス国立スーパーコンピューティングセンター（CSCS）、ハンブルク大学の研究者によって開発された新しいICON構成は、昨年11月にSC25ゴードンベル気候モデリング賞を受賞しました。

このブレークスルーは解像度だけではありません。ICONは、海洋、大気、陸地、生物地球化学、完全な炭素循環を含む結合地球システムを1km解像度で初めてシミュレートしたモデルであり、すべてのコンポーネント間で炭素が交換されます。植物プランクトンのブルームや動物プランクトンの摂食など、完全な生態系をシミュレート・可視化できます。以前のシステムは一部しかモデル化できませんでしたが、ICONはすべてを実行します。これにより、これまでにない詳細レベルで地球を観測できるようになりました。

JUPITER上の20,480基のNVIDIA Grace Hopperスーパーチップで実行されたこのモデルは、実際の気候約146日を24時間の計算でシミュレートし、全球気候シミュレーションの世界記録を樹立しました。NVIDIAのICONコミュニティへの関与は10年以上に及びます。

マックスプランク気象研究所の計算インフラ・モデル開発グループリーダーであるDaniel Klocke氏は、「私たちのシミュレーションは、海洋生態系を形成し海洋の炭素吸収を調節する微細な風、海洋渦、上部海洋混合を解像します。全球1km解像度では、これらの相互作用の多くが近似ではなく物理法則から直接現れます。これにより、大気、海洋、生物圏がどのように連携するかを前例のない視点で理解でき、気候変動を促進するプロセスを理解する助けとなります」と述べています。

6Gにエクサスケールのパートナー

3月、エリクソンとユーリッヒ研究センターは、5Gの進化と6GネットワークのためのAIを開発する協力を発表し、JUPITERを大規模AIモデルのトレーニングとテストの計算エンジンとして活用します。この協力は、脳に触発されたアーキテクチャを対象とし、複雑なネットワーク運用をはるかに低いエネルギーコストで処理することを目指しています。研究の優先事項には、エリクソンの無線およびコアネットワーク向けAIモデル、ニューロモーフィックアプローチを用いた無線エッジでのエネルギー効率の高いAI推論、およびJSCのエクサスケール研究に基づくモジュラースーパーコンピューティングアーキテクチャの概念が含まれます。

量子記録を更新

ユーリッヒスーパーコンピューティングセンターの研究者は、共同で運営されているNVIDIA応用ラボと協力し、汎用50量子ビット量子コンピューターの完全シミュレーションで世界初を達成し、それまでの48量子ビット記録を超えました。このシミュレーションは、JUPITERのNVIDIA GH200 Grace Hopperスーパーチップの一貫性のある密結合CPU-GPUメモリアーキテクチャにより可能になりました。これにより、GPU制限を超えるデータが最小限のパフォーマンス損失でCPUメモリにシームレスに流出でき、GPUメモリ単独よりもはるかに大きな量子状態を保持できるため、シミュレーションは48量子ビット記録を超えました。

現時点では、この種のシミュレーションは量子研究にとって最も強力なツールです。今日の量子ハードウェアは実用的な問題で古典的なコンピューターを凌駕できないため、可能な限り大規模な量子マシンのシミュレーションは、将来のハードウェアで実行されるアルゴリズムを設計およびストレステストする方法です。この強力な量子シミュレーターJUQCS-50は、JSCの量子コンピューターユーザー施設JUNIQ内でアクセス可能になり、同施設はJSC所長でケルン大学教授のKristel Michielsen氏が率いています。JUQCS-50は、欧州初のエクサスケールシステムを、将来の量子-GPUスーパーコンピューターの強力なテストベッドに変えます。

エクサスケールの影響

ニューロンから大気、無線インフラから量子まで、JUPITERで実行される科学の範囲は、エクサスケールコンピューティングが研究カテゴリーから実運用に移行したことを示しています。これらの結果は、科学の最前線におけるGrace Hopperプラットフォームの証明です。

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