模擬物質(zhì)在原子尺度上的行為方式的能力正在徹底改變材料科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域。這種方法正在生產(chǎn)具有奇異特性的新材料、用于核能的彈性合金以及對蛋白質(zhì)折疊的新理解，這只是其中的幾個應(yīng)用。

這些進步很大程度上得益于越來越強大的計算機，其目的是使模擬更大、更快、更長。

這是目標，但現(xiàn)實情況則更加微妙。更強大的計算機讓研究人員能夠模擬包含數(shù)萬億個原子的龐大物質(zhì)團塊。但即使在世界上最強大的百億億次級計算機上，整整一個月的計算也只能產(chǎn)生幾微秒的模擬時間。

更糟糕的是，增加更多 CPU 也無濟于事。這是因為在這些芯片之間傳輸信息所需的時間是這些計算的限制因素。增加更多芯片只會使這個瓶頸更加嚴重

   原子撞擊   

現(xiàn)在，這一切都在改變，這要歸功于加州芯片制造商 Cerebras Systems 的 Kylee Santos 以及桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家的努力。這個團隊找到了一種將原子級模擬速度提高兩個數(shù)量級的方法，其結(jié)果可能會對材料科學(xué)產(chǎn)生變革性影響。

芯片間互連引入的時間延遲是最大規(guī)模計算中眾所周知的問題，因為在最大規(guī)模計算中需要將數(shù)以萬計的芯片連接在一起。

這些芯片通常有許多內(nèi)核，每個內(nèi)核都能獨立計算。事實上，高端臺式機 CPU 通常有幾十個內(nèi)核。最大的優(yōu)勢在于，由于所有內(nèi)核都刻在同一塊硅片上，因此它們可以快速交換數(shù)據(jù)。

Cerebras 成立的目的是消除芯片制造過程中的奇怪現(xiàn)象。硅芯片最初是純硅的圓形晶片，每個晶片的大小與一個大餐盤相當(dāng)。這些晶片上可以容納數(shù)十或數(shù)百個芯片，具體取決于它們的大小。在制造過程結(jié)束時，晶片被分解成單個芯片，然后單獨出售。

但在超級計算機中，芯片必須重新連接在一起才能交換數(shù)據(jù)。Cerebras 的偉大想法是將整個硅片變成一個巨大的芯片，該公司稱之為“晶圓級引擎”。最大的優(yōu)勢是，在這些晶圓內(nèi)部，所有核心都可以快速通信。

最終，我們打造出了一款非凡的芯片。該公司的 Wafer-Scale Engine-2 (WSE-2) 是一款單芯片，內(nèi)含 850,000 個內(nèi)核，片上內(nèi)存為 40 GB，內(nèi)存帶寬為每秒 20 PB。所有這些僅消耗 23 千瓦的功率 — 僅用于單芯片！

桑托斯和同事們對這臺機器進行了測試，以模擬物質(zhì)的行為。該團隊使用每個核心來模擬一塊材料中的單個原子，該材料包含超過 800,000 個原子。這相當(dāng)于一塊約 60 x 60 x 2 納米大小的薄片。

     晶界     

材料科學(xué)的一個關(guān)鍵問題是了解當(dāng)一個金屬晶體與相鄰的晶體取向不同時，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔谩＿@些所謂的晶粒邊界非常復(fù)雜，因為盡管原子在晶體內(nèi)排列完美，但在邊界處，它們的排列更為復(fù)雜，而且會隨時間而變化。

模擬需要考慮在飛秒級發(fā)生的原子振動，同時模擬在微秒級發(fā)生的物理和化學(xué)變化，例如原子相對于其鄰居的位置變化。這是九個數(shù)量級的量級差異。這就是為什么實現(xiàn)更長的模擬時間如此重要。

現(xiàn)在，Santos 等人已將這一技術(shù)應(yīng)用于銅、鎢和鉭，而且進一步的進展看起來極有可能實現(xiàn)?！巴ㄟ^為每個模擬原子配備一個處理器核心，我們實現(xiàn)了每秒時間步長 179 倍的提升，”Santos 等人表示。這使得一天之內(nèi)就能實現(xiàn)相當(dāng)于傳統(tǒng)百億億次級計算機 6 個月的運行時間。

Santos 及其同事表示，當(dāng)這一技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)的未解問題時，將帶來巨大的回報。他們表示：“將每年的運行時間縮短到兩天，可以解鎖目前無法獲得的緩慢微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的時間尺度，這對于理解材料的行為和功能至關(guān)重要。”

“我們的工作表明，新型晶圓級計算機架構(gòu)可以大幅提高復(fù)雜原子系統(tǒng)的最大模擬速率?！?/span>

預(yù)計很快還會有更多進展。目前的工作使用了該公司于 2021 年推出的 Cerebras WSE-2 晶圓。今年早些時候，該公司推出了專為 AI 應(yīng)用設(shè)計的 WSE-3。它的功能非常值得關(guān)注。